植物光保护蛋白PsbS的结构、定位及机制研究

Energy-dependent quenching (qE) is an important photoprotective mechanism in plants. qE depends on several key elements, including the transmembrane delta-pH, photosystem II (PSII) subunit PsbS, light-harvesting complexes II (LHCIIs), etc. PsbS first senses the decrease of pH at the thylakoid lumen, then changes its conformation or oligomeric state, and regulates the transition of LHCIIs from light-harvesting state to energy quenching state, so as to achieve the photoprotective function. We have solved the crystal structure of spinach PsbS at acidic pH, but it is still not clear about what kind of changes PsbS experiences after sensing the lumen pH decreasing. In addition, the location of PsbS within PSII and its interacting partners are still unknown due to the transit interaction between PsbS and LHCIIs. So it is still an open question about how the changes of PsbS regulate the LHCIIs to alter their functions. This research project focuses on structural analysis of PsbS and the PSII-LHCII megacomplex. We aim to obtain the structure of PsbS at neutral pH, and to solve the structure of PSII-LHCII megacomplex, thus to localize PsbS and identify its interacting partners within PSII megacomplex. These results will be of great help for understanding the changes of PsbS after sensing the pH decreasing and to elucidate the mechanisms of PsbS-triggered qE function.

能量依赖的淬灭（qE）是植物中一种重要的光保护机制。qE依赖于跨类囊体膜的pH梯度，光系统II（PSII）亚基PsbS及其捕光天线等。PsbS通过感受类囊体腔侧pH降低，发生构象或聚集状态变化，调节捕光蛋白从捕光状态向能量淬灭状态转变，实现光保护功能。本课题组之前解析了菠菜PsbS在酸性pH的晶体结构，但是PsbS感受酸性pH后自身发生何种变化并不清楚；此外由于PsbS与PSII亚基之间的瞬时相互作用，至今未能对PsbS进行定位，与之相互作用的捕光蛋白也未被鉴定出来，所以PsbS如何通过自身变化调节与之相互作用的天线蛋白的功能仍是一个未解的问题。本课题拟以植物PsbS蛋白及PSII超分子复合物为研究对象，解析中性pH条件下PsbS结构以及PSII超分子复合物的结构，对PsbS在PSII中的定位及其相互作用蛋白进行鉴定，从而对PsbS感受pH降低后自身的变化及后续引发qE的机制予以阐释。

非光化学淬灭（NPQ）是植物适应环境、优化生长的重要光保护机制，其中能量依赖淬灭qE是植物中最快速最主要的一种光保护过程，此外，状态转换qT和慢速淬灭qH均是重要的NPQ组分。qE依赖于跨类囊体膜的pH梯度，在高等植物和低等植物中分别由PsbS和LHCSR蛋白诱发。这两个蛋白都是通过感受类囊体腔侧pH降低，发生构象或聚集状态变化，调节捕光蛋白从捕光状态向能量淬灭状态转变，实现光保护qE的功能。本课题主要以植物PsbS蛋白及PSII超分子复合物为研究对象，拟解析中性pH条件下PsbS结构以及PSII超复合物的结构，对PsbS感受pH降低后自身的变化及后续引发qE的机制予以阐释。与此同时，我们也针对其它NPQ相关的蛋白及复合物，如同样参与qE的LHCSR，参与qT的PSI-LHCI-LHCII，及参与qH的LCNP和SOQ1等开展了结构研究，以期全面、系统、深入地理解植物的光保护机制。.本项研究中，我们在中性pH条件下获得了菠菜及拟南芥PsbS晶体，解析了含有PsbS蛋白的豌豆光系统II超复合物结构（未见PsbS密度），获得了苔藓LHCSR晶体，以及含有LHCSR蛋白的绿藻光系统I和光系统II样品，其中绿藻光系统I（未见LHCSR密度）的冷冻电镜结构研究结果已经发表在Nat Plants期刊。虽然在多个复合物中均未能观察到PsbS及LHCSR的密度，我们大量的探索和尝试为后续针对qE机制的研究提供了重要的基础和思路。此外我们在针对qT和qH光保护机制的研究中获得重要结果，解析了玉米中参与qT的PSI-LHCI-LHCII复合物结构，揭示了该复合物的组装机制以及光能传递的可能途径，为深入理解qT机制提供了高精度的结构基础，相关研究成果已经发表在Science期刊；同时我们获得了参与qH的SOQ1蛋白的多个晶体结构，提供了关于SOQ1的全新结构信息，揭示了SOQ1抑制qH的可能机制；并获得LCNP截短体蛋白的结构。上述部分研究结果已经发表，部分研究结果正在总结中，另有部分研究结果还有待进一步深入。总体来说，我们的研究工作为全面系统地理解植物光保护机制提供了重要的结构基础和数据。