近日，中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授和陈宇星教授课题组，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了蓝藻光合固碳关键酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）同时结合两个分子伴侣Raf1和RbcX 的三维结构。基于结构分析和一系列生化实验，揭示了这两个分子伴侣协同调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理。相关研究成果以“Structural insights into cyanobacterial RuBisCO assembly coordinated by two chaperones Raf1 and RbcX”为题于9月20日在线发表在《CellDiscovery》上。
RuBisCO是自然界中丰度最高的酶，总质量约为7亿吨，负责光合作用暗反应的碳同化过程，每年将地球上超过1000亿吨CO2固定为有机物，是生物碳中和领域的研究热点。然而，其催化效率极低，每个RuBisCO全酶每秒钟只能催化3~10个CO2分子的转化，蓝藻因此进化出CO2浓缩机制（CCM）：利用羧酶体包裹RuBisCO并高度富集CO2以提高催化效率。蓝藻和植物中的I型RuBisCO全酶由8个大亚基RbcL和8个小亚基RbcS组成，其组装和成熟过程非常复杂，需要一系列分子伴侣参与，包括Raf1和RbcX。导入蓝藻CCM系统是一种潜在的提高植物光合效率的方法，然而多个分子伴侣协同调控RuBisCO组装的分子机制尚不明了，极大限制了对RuBisCO的工程改造和活性优化。
2020年，作者通过解析Raf1与RuBisCO大亚基RbcL复合物以及一系列RuBisCO中间体的三维结构，结合生化实验提出了Raf1调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理（NaturePlants, 2020）。为进一步探究多个分子伴侣协同调控RuBisCO组装和成熟的分子机制，作者解析了双分子伴侣Raf1和RbcX同时结合大亚基RbcL形成的32亚基组装中间体（L8F8X16）的冷冻电镜结构，分辨率为3.3 Å。结构分析和生化实验表明Raf1和RbcX能够同时结合RbcL，形成一个高度动态的中间体，更有利于小亚基RbcS替换Raf1和RbcX，进而形成成熟的RuBisCO全酶。此外，生化实验表明Raf1和RbcX均能拮抗由支架蛋白CcmM35介导的RuBisCO聚集和相变过程，而且RbcX的拮抗效果更加明显。基于上述实验结果，作者提出了多分子伴侣协同精细调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子机理（图一）。
中国科学技术大学特任副研究员李琼、副教授江永亮和已毕业博士夏凌云（现为西湖大学博士后）为该论文的共同第一作者。中国科学技术大学周丛照教授和江永亮副教授为该论文的共同通讯作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省科技厅以及中科院青促会的资助。
图1 分子伴侣Raf1和RbcX协同调控蓝藻RuBisCO组装和成熟的分子模型
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-022-00436-9