高等植物光系统II核心亚复合物的初步晶体学研究

光系统II（PSII）是自然界中唯一能够氧化水的、由20多个亚基构成的超大膜蛋白复合体，解析其各类亚复合物的晶体结构对于研究光合作用分子机理具有重要的意义。高等植物PSII由外周捕光天线系统和放氧核心复合物两部分构成，外周主要捕光复合物LHCII和次要捕光复合物CP29的晶体结构已由我国率先解析，而核心复合物及其亚复合物的晶体结构未见报道，主要原因在于此类样品常具有不稳定性和不均一性。本项目以高等植物PSII大型核心复合物中相对稳定的亚复合物作为研究对象，拟通过纯化方案的创新与优化，从菠菜和拟南芥等高等植物中制备出几种具有高稳定性和高均一性的亚复合物样品。然后利用结构生物学手段获得高质量单晶体，完成一种亚复合物初步晶体学研究工作。最后，力争解析其晶体结构，为光合膜蛋白三维结构研究和光合作用机理研究做出贡献。在前期探索过程中，我们已获得一种性质良好的菠菜核心亚复合物样品，并且得到微晶。

光系统II（PSII）由二十多个亚基构成，是自然界中唯一能够氧化水分子的超大膜蛋白复合体，催化光合作用中最重要的热动力学反应的发生。PSII复合物的三维晶体结构是当前光合作用分子机理研究和新能源开发的热点领域。本项目以高等植物PSII复合体中相对稳定的蛋白质样品组分作为研究对象，通过纯化方案的创新与优化，从菠菜、拟南芥和玉米等高等植物中制备出多种具有高稳定性和高均一性的蛋白质样品，进而利用结构生物学手段获得高质量的单晶体并开展相关的X射线衍射晶体学分析研究。在项目执行过程中，我们取得了一系列重要的研究成果，介绍如下：（1）利用差速离心法、离子交换层析和分子筛纯化等方法，我们从新鲜菠菜叶片中制备出样品1和样品2两种相对稳定均一的PSII膜蛋白-色素复合物组分。利用蔗糖密度梯度超速离心、光谱和电泳等分析手段，对样品的生物化学性质进行了鉴定。这两种样品均已获得单晶体，并完成了初步晶体学分析工作。同步辐射光源X射线衍射分析发现，样品1的晶体最高衍射分辨率是4.5埃，空间群为C21。样品2的晶体最高衍射分辨率是6埃，空间群为C2221。（2）完成了2种分别来源于菠菜和玉米的PSII复合物放氧外周蛋白PsbP的晶体结构研究。同步辐射X射线光源分析发现，2种晶体的衍射分辨率分别是1.8埃和1.6埃。其中菠菜PsbP与锰离子复合物的晶体结构首次揭示了锰离子引发PsbP蛋白的构象发生了明显的变化。这部分工作对于PSII复合物的放氧活性研究和探讨PSII的损伤修复循环过程具有重要的意义。相关研究论文已经被Molecular Plant杂志录用。（3）我们从菠菜、拟南芥和玉米中制备了PSII核心复合物样品PSII-core，其中菠菜和拟南芥的样品性质表现较为良好，目前均已筛选获得晶体，同步辐射X射线光源下晶体的最高衍射分辨率均在15埃左右。总之，该项目所获研究成果对PSII的三维结构研究和光合作用机理研究均起到重要的作用：一方面为最终解析高等植物PSII超大复合物的高分辨率晶体结构奠定前期工作基础，另一方面为人们更客观更详尽的阐明PSII水裂解机制和模拟该反应的发生做出贡献。