由蛋白质动态结构调控的量子开关：植物在捕光态和能量淬灭态间的切换机制 | 进展

自然状态下太阳光辐照强度可在短时间内发生十几倍涨落，植物要维持正常的生长状态，必须能够在低光条件下保持高效捕光和传能（捕光态），又要在高光条件下避免强光辐照损伤（光保护态，能量淬灭态或淬灭态）。植物光合系统已经进化出在高、低光条件下的状态切换功能。由于从光保护态切换到捕光态的速率远滞后于光强的动态变化，理论计算表明，该滞后效应可以导致高达20%的光合效率损失。实验上，美国科学家通过基因工程提高状态切换速率实现光合效率大幅度提升。Long课题组 2016年成功将烟草光合效率提升了15% (Science, 2016, 354, 857)；2022年又将大豆种子产量提高了约33% (Science, 2022, 377, 851)。大量的实验事实表明，高等植物光系统II主体捕光天线（Major Light-Harvesting Complex II, LHCII）是实现这一状态切换功能的色素-蛋白复合体。然而LHCII是如何感知光强发生的动态变化、并实现状态切换的分子机理并不清楚，也成为困扰科学家近半个世纪的科学难题。

图1. LHCII在纳米膜盘及溶液中不同pH条件下解析出的六种冷冻电镜结构。a, LHCII在纳米模盘中的三种结构; b, LHCII在溶液中的三种结构。

1994年德国科学家Kühlbrandt等报道了通过二维晶体电子衍射法解析的豌豆 LHCII 3.4 Å分辨率的三维结构(Nature, 1994, 367, 614)。2004年我国科学家柳振峰，常文瑞院士和匡廷云院士等报道了采用X射线晶体学方法解析的菠菜 LHCII 2.72 Å分辨率的三维结构(Nature, 2004, 428, 287)，该工作所提供的一套高精度的静态结构数据，为后续LHCII能量传递和光保护分子机理的动态结构研究奠定了基础。2020年翁羽翔，高加力课题组应用稳态、瞬态可见及红外光谱结合全原子分子动力学模拟和量子化学计算，揭示了光合膜中LHCII通过热和酸诱导的蛋白质构像变化，实现捕光态到淬灭态间的切换 (Sci. China Chem., 2020, 63, 1121)。具体是，外界环境的变化诱导LHCII囊腔侧蛋白质构像的变化，驱动LHCII中一对交叉跨膜螺旋A, B做剪切运动，导致位于跨膜螺旋侧向叶黄素-叶绿素a (Lut1-Chl612)色素对的间距减小；同时计算表明该色素对间的距离减小导致两者电子态耦合强度增加，从而将叶绿素a多余的激发能量传递给叶黄素的暗态(S 1态), 后者以热的形式有效地将能量耗散掉。在此基础上提出了蛋白质变构效应调控LHCII状态切换的分子机制。该工作发表后，在国内外产生相当的影响。毕竟上述LHCII的动态结构是基于分子动力学模拟的结果，还亟需蛋白质动态结构变化的直接验证。

图2. 由冷冻电镜结构揭示的LHCII通过蛋白质变构效应调控能量传递及光保护状态切换的构象关系。左图：LHCII弛豫结构，对应能量传递态；右图：受限或聚集态LHCII，对应荧光淬灭态。酸诱导蛋白质二级结构的变化：helix-E从310-helix (蓝色)转变成α-helix(红色)；random coil（蓝色）转变为短α-helix结构（红色）。二级结构变化促使helix D, E分别顶向交叉跨膜螺旋对A, B的底部，导致跨膜螺旋对A, B及叶黄素对(Lut1, Lut2)做剪切运动，使得Lut1和叶绿素Chl612距离变短，从而使Chl612过剩的激发能通过Lut1的暗态(S1)态以热的形式弛豫到环境。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔课题组与深圳湾实验室量子生物学、美国明尼苏达大学化学系高加力课题组合作，结合单颗粒冷冻电子显微镜技术与多态密度泛函理论计算，实验结果和理论计算共同在原子分子水平上揭示了高等植物LHCII在高效捕光和光保护功能间的切换机理。该研究解析了不同pH值下装载在纳米膜盘(Nanodisc)中（约束态）和溶液中（松弛态）的LHCII的六种高分辨率冷冻电镜结构：中性条件下纳米膜盘及溶液中的未质子化LHCII结构；酸性条件下纳米膜盘及溶液中分别获得的未质子化和质子化结构（见图1，2）。其中纳米膜盘通过多肽链形成直径约10 nm环箍，给LHCII施加以侧向压力，模拟了LHCII在光合膜上聚集后导致的荧光淬灭状态，从而获得了LHCII荧光部分淬灭态的结构,而LHCII在溶液中的松弛结构则为捕光态结构。冷冻电镜结构表明：（1）在不同pH (7.8 / 5.4)下，约束或聚集对LHCII造成的侧向压力是发生荧光淬灭实现光保护的先决条件；（2）与LHCII的非质子化结构相比，质子化的LHCII在囊腔侧发生了明显的构象变化，即由3 10-螺旋（3 10-helix）转变成了α-螺旋（α-helix），同时C端的无规卷曲（random coil）结构转变为短α-helix，并且只有在约束或聚集条件下，该构象变化才能增强荧光淬灭效应。由此获得了从捕光态（溶液）到部分淬灭态（纳米膜盘：中性及酸性条件）及淬灭态（晶体结构已知）一系列结构及激发能淬灭中心Lut1-Chl612色素对间的精确距离。应用量子力学计算了不同结构中叶绿素激发能的淬灭速率，与实验结果高度吻合。

图3. LHCII通过调控Lut1-Chl612的间距实现状态切换。a, 实验测得的荧光速率（黑圆点）和理论计算的耦合强度（橙色圆点）与Lut1-Chl612间距的对应关系。红色实线为Dexter型能量传递拟合曲线，Lut1-Chl612临界距离拟合值为5.6 Å。b, 不同LHCII结构中Lut1-Chl612间距与跨膜螺旋对A, B间夹角的对应关系。溶液中LHCII结构松弛，跨膜螺旋夹角的改变几乎不影响Lut1-Chl612的间距。

实验结果和理论计算表明，Lut1-Chl612之间存在一个在5.6 Å的临界距离，在该临界值附近很小的变化(0.02 Å)就足以使LHCII从捕光态转变到淬灭态。计算表明，该临界点对应的是不同的传能机制，即小间距时，能量淬灭通过波函数重叠导致电子交换的Dexter机制实现；而大间距时则遵循偶极-偶极相互作用的Förster经典传能机制。可见LHCII是通过蛋白质动态结构的变化实现量子传能和经典传能模式间的可逆切换，从这种意义上说，LHCII分子开关是一个不折不扣的量子开关！

至此 LHCII冷冻电镜的结构完全证实了酸性条件分子动力学模拟结构，有力地支持了先前提出的LHCII通过蛋白质变构效应实现传能态到淬灭态可逆切换的剪切模型。

该工作以“Cryo-EM Structures of LHCII in Photo-Active and Photo-Protecting States Reveal Allosteric Regulation of Light-Harvesting and Excess Energy-Dissipation”为题发表在Nature Plants期刊上（https://doi.org/10.1038/s41477-023-01500-2），中国科学院物理所博士生阮美霞和已毕业博士生李昊是论文的第一作者，翁羽翔、丁玮和高加力为共同通讯联系人。该研究得到了中国科学院项目(QYZDJ-SSW-SYS017, XDB33000000, YJKYYQ20170046)和国家自然科学基金委项目(11721404)的支持，理论计算工作得到了深圳市科技创新委员会(KQTD2017-0330155106581)的支持。

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