脂质环境影响FCP蛋白捕光和光保护功能的分子机制研究

In oxygenic photosynthesis, light harvesting complexes (LHCs) perform two main physiological functions, i.e. light harvesting and photoprotection. Investigation on LHCII, the major LHC of higher plants, has revealed that the photosynthetic organisms could switch between these two functions under the regulation of environmental factors, including membrane lipids, pH, temperature and ions etc. In this project, firstly, we propose to construct the lipids-protein nano-disc (ND) system composed of various types of lipids and the fucoxanthin-chlorophyll-protein (FCP) extracted as the major LHC from diatoms. By means of resonance Raman scattering and time-resolved spectroscopies, we will focus on the study of the structure and the excitation relaxation mechanism of pigment cofactors of FCPs embedded in NDs. The effects of lipids on regulating the function of FCP will our main concern. Particularly, this project is aimed at clarifying the effect of lipid environment on the conformation and functions of Fxred, which is a key factor of the FCP-ND system. This project will provide us with a deeper insight into the structure-activity relationship of FCP, and will shed light on the development of artificial photosynthesis.

放氧光合生物的捕光天线复合物（LHC）是一类具有光捕获和光保护两大基本功能的色素-蛋白复合体。高等植物LHCII研究表明，受若干环境因子的调控（脂膜、pH、温度、离子等），其两大功能之间能够相互转换。本项目拟从硅藻中提取天线复合物FCP蛋白，与不同种类的膜脂分子构建成脂质-蛋白纳米圆盘(nanodisc，ND)系统；通过共振拉曼光谱和时间分辨吸收光谱等手段，研究FCP-ND系统中FCP的色素分子结构和激发态弛豫机制，重点考察脂质环境对FCP蛋白功能的调控机制；目标是借助人工光合膜阐明脂质环境对FCP复合物重要辅因子Fxred的构象和功能的影响，以及对FCP功能的调控机理。本项目将为深入认识FCP蛋白的构-效关系，并为人工模拟光合作用研究提供重要科学依据。

光合作用所需的太阳能由嵌入在类囊体膜中的光捕获复合体(LHC)捕获。同时，为了响应太阳光的辐照度变化，LHC还参与由复合物聚集和/或膜周围生理参数的变化引起的过量激发能的猝灭。然而，体外对于LHC的功能分析主要集中两种环境中。一是在去垢剂溶解的分离状态，但这环境在离子渗透性方面与生理条件差异大，二是在脂质体仿生膜系统，然而，蛋白质在膜上随机聚集是不可避免的。因此在脂质环境中的单个LHC分子的精确行为尚未被阐明。在本项目中，我们以岩藻黄质叶绿素a/c结合蛋白(FCP)为研究目标，该蛋白结合七种激发态取决于溶剂的极性的岩藻黄质。通过光谱分析研究重组为脂质纳米盘的FCP的结构和激发态能量转移，从而研究单个FCP在脂质中的真实光物理行为。.在本项目中，在将FCP重组为纳米盘之前，先利用LHCII研究样品组装方法，来源于高等植物捕光复合物的LHCII具有与FCP非常相似的蛋白质序列，但比FCP稳定。成功的将LHCII组装到由L-α-磷脂酰胆碱和膜支架蛋白(MSP)制成的直径21 nm的圆盘中。类胡萝卜素和叶绿素的构象变化不仅发生在复合物的外围区域，而且同时发生在复合物的内部核心。相比于传统的去垢剂胶束中的LHCII，在纳米圆盘表现出更高的Chl a到类胡萝卜素三重态能量转移效率，这导致未被猝灭的3Chl a*的数量减少了60%，有害的3Chl a*通过敏化产生ROS导致类囊体膜的光抑制。我们的结果表明将LHCII组装在磷脂膜中，其结构经过精心设计，可以最大限度地减少有害3Chl a*的产生。随后，按照LHCII 优化的实验条件，将FCP也重组为纳米盘。飞秒-时间分辨吸收光谱表明，在FCP纳米圆盘中，其岩藻黄质的S1/ICT态比与胶束中寿命更长。这是符合预期的，因为脂质膜的较低极性改变了与FCP结合的岩藻黄质的S1和ICT状态之间的平衡。本研究表明脂质微环境有可能直接影响与LHC结合的色素的能态，这有望为探索LHC在类囊体膜中的实际猝灭机制提供基础信息。