光合反应中心（RC）和捕光天线复合物1（LH1）形成RC–LH1超分子蛋白质复合物，是光合紫细菌发挥光合作用初级反应的关键核心元件。1985年，紫细菌RC的晶体结构被解析，并获1988年诺贝尔化学奖，然而对于RC–LH1二聚体的结构和组装途径一直不清楚。该研究通过报道七种不同状态下的球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）的RC–LH1复合物的三维电镜结构，并结合遗传敲除实验和计算机模拟分析技术，深入地阐明了PufX和PufY亚基在维持光合复合物双体结构和功能完整性中所发挥的重要作用，首次全面系统地揭示了光合蛋白复合物RC–LH1的二聚体结构、组装和电子传递的分子机制等一系列核心科学问题。

光合作用将太阳能转化为化学能，为世间万物提供赖以生存的能量和食物，被誉为“地球上最重要的化学反应”。厌氧变形菌光合紫细菌是地球上最早出现的生命之一，也是研究细菌光合作用的理想模式生物。紫细菌光化学反应首先发生在光化学反应中心（Reaction center，RC）和捕光复合物1（Light-harvesting 1，LH1）形成的超分子光合元件RC–LH1上。RC–LH1由多个αβ-异二聚体组成的LH1天线环绕在RC周围，LH1将激发能量传递给RC，进一步发生光诱导的电荷分离反应，并将电子通过RC–LH1结合的醌分子向下游传递。

紫细菌RC的晶体结构早在1985年即被解析，并获得1988年诺贝尔化学奖，然而，对RC–LH1的结构研究相对落后，且其组成和结构在不同的光合细菌物种中表现出多样性。2021年，刘鲁宁团队在Science Advances以封面文章报道了维氏红杆菌（Rhodobacter veldkampii）RC–LH1–PufX光合核心复合物单体的结构（Science Advances, 2021, 7(25): eabf8864）。而在大多数红杆菌属（Rhodobacter）中RC–LH1以二聚体形式存在，代表了非放氧光合细菌中最大的超分子机器，但由于缺乏高分辨率结构信息，其组装过程及其光能和电子传递的分子机制尚不清晰。

该研究报道了光合紫细菌球形红细菌Rhodobacter sphaeroides的RC–LH1超复合物七个冷冻电镜结构，包括RC–LH1单体结构（分辨率为2.79Å；由33个亚基组成）、RC–LH1的两种不同状态的双体结构（分辨率为2.74Å和2.90Å；由66个亚基组成）、敲除突变ΔpufX和ΔpufY的单体结构（分辨率为4.20Å和2.86Å）、以及ΔpufY的两种不同状态的双体结构（分辨率为3.08Å和3.45Å）（图1）。除之前熟知的3个RC亚基、LH1的α和β亚基、PufX亚基之外，在上述结构中还鉴定出一个全新亚基，命名为PufY。通过对这些三维结构的深入分析，科研人员详细地揭示了PufX和PufY亚基如何与RC–LH1复合物之间相互作用，如何介导RC–LH1二聚化、LH1环绕组装和醌分子转运的，从而阐明了二聚体RC–LH1发挥光合作用功能的分子机理。

图1.球形红细菌野生型和突变型RC–LH1光合复合物的冷冻电镜结构。

该研究发现，在RC–LH1的二体结构中，两个PufX单次跨膜亚基位于RC–LH1复合物中心的二聚化界面，而两个PufY二次跨膜亚基位于两个LH1天线环开口处附近。PufX和PufY共同作用，确保LH1围绕RC并形成具有开口的C型环，PufX介导二聚体的形成，PufY则与醌分子的结合相关。两种类型的二聚体的每一个单体的结构与野生型单体非常相似，但在单体与单体之间的界面处具有不同的旋转和横向位移，造成二者相对位置有着明显的差别。

高分辨率冷冻电镜结构为二聚体RC–LH1复合物的分步组装过程提供了有力证据（图2）。PufX首先与同一RC–LH1单体内的RC亚基结合，为第一个LH1亚基提供锚定位点，并启动了LH1环在RC周围的顺序组装，PufY的加入稳定了LH1环的末端，组装成完整的RC–LH1单体；2个单体形成第二种类型的RC–LH1二体，这可能是组装过程中的一种中间状态，并最终形成成熟RC–LH1二体（第一种类型的RC–LH1）。

图2. RC–LH1-PufX-PufY二聚体的分步组装示意图。

与此同时，分子动力学模拟分析进一步深入揭示了醌分子的交换途径（图3），显示在PufX和PufY附近的LH1环开口是RC和外界之间有效的醌交换通道。

图3. RC–LH1超分子复合物的质体醌转运途径。(a) 醌转运途径的俯视图。(b) 醌转运途径的侧视图。箭头表示通过由PufX和PufY形成的LH1环开口的醌分子扩散途径。

该研究揭示了细菌光合复合物在结构层面上的多变性和模块化组装的精细过程，这些特性确保了高效的捕光、激发能量转移和电子传递，从而使得光合细菌在外界不断变化的环境条件下高效地进行光合作用。

在该项工作中，英国利物浦大学刘鲁宁教授、中国科学院生物物理研究所李梅研究员、日本RIKEN生物系统动力学研究中心Shirouzu研究员为共同通讯作者，曹鹏、Laura Bracun和Atsushi Yamagata为该项工作的共同第一作者。

该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项和中国科学院前沿科学重点研究项目的共同资助。数据收集和样品分析等工作得到了生物物理所生物成像中心、生物物理所蛋白质科学研究平台等有关工作人员的大力支持和帮助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29563-3