Nature Plants | 香港科大/中国科大联合解析蓝藻固碳微室羧酶体的三维结构和自组装机理

责编 | 王一

蓝藻是地球上最古老的原核自养细菌，在进化中产生CO2浓缩机制（CCM），通过一系列的碳转运体向细胞内转运无机碳，并在固碳机器羧酶体内高度富集CO2，从而提高内部被包裹的固碳酶RuBisCO的羧化速率。作为全球碳循环的主要贡献者，原绿球藻是地球上最丰富的光合自养微生物，细胞直径仅有0.5~0.7微米，其CCM仅由十个基因组成的单一操纵子编码，是目前发现的最简化的CCM基因簇。羧酶体是CCM的核心成分，由数千个蛋白质分子自组装形成的超大蛋白微体，包括蛋白质外壳和内部包裹的RuBisCO和碳酸酐酶。由于羧酶体尺寸巨大，组装高度动态复杂，目前尽管羧酶体各蛋白组分的结构和功能均有深入研究，完整羧酶体的三维结构和主要蛋白组分的自组装过程仍不清楚，极大限制了羧酶体的改造设计和在生物固碳和农作物改良等领域的应用。

近日，中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授课题组联合香港科技大学海洋科学系曾庆璐副教授课题组在Nature Plants期刊上发表了题为Structure and assembly of the α-carboxysome in the marine cyanobacterium Prochlorococcus的研究论文，利用单颗粒冷冻电镜技术解析海洋原绿球藻的完整羧酶体的三维结构，阐明了羧酶体主要蛋白组分的组装模式，发现固碳酶RuBisCO的三层环状结构，支架蛋白CsoS2结合在羧酶体外壳的内部，形成多价相互作用网络，介导RuBisCO和外壳的有序自组装。

作者通过分步离心和蔗糖密度梯度离心等手段，成功纯化了原绿球藻的完整ɑ羧酶体样品，电镜检测发现原绿球藻的ɑ羧酶体直径约为90 nm，是目前已知的尺寸最小的羧酶体。利用定量质谱确定了羧酶体的各个蛋白组分的相对化学计量比。我们通过冷冻电镜单颗粒技术结合分块重构算法，计算得到了完整羧酶体类似二十面体形状的外壳三维结构，分辨率为4.2 Å，共由位于20个面的480个CsoS1六聚体以及位于顶点的12个CsoS4A五聚体组成。RuBisCO在内部有序排列形成三层环状结构，RuBisCO的四次轴均指向羧酶体的中心，由外往内分别由72、32和4个RuBisCO分子组成。支架蛋白CsoS2通过中间区域MR（共有6个重复区，M1~M6）和C端区域CR（共有3个重复区，C1~C3）结合在外壳的内表面。其中每个M重复区的三个保守V/L/ITG基序与外壳伪三次轴上的三个相邻CsoS1六聚体结合，C1和C2重复区也通过保守的V/L/ITG基序结合在相邻的三个六聚体的界面上，而C3则一直延伸到五聚体顶点。在一个完整的α-羧酶体外壳内表面，共有120个CsoS2蛋白与外壳内部形成多价的相互作用网络，进而精准调控α-羧酶体的尺寸大小和组装过程。基于此作者提出了α-羧酶体组装的基本规律（图1）：六聚体和五聚体蛋白自组装形成外壳，支架蛋白CsoS2的MR和CR结合外壳内表面，进一步稳定外壳结构和决定羧酶体的尺寸大小，CsoS2的N端交联RuBisCO形成内核，促成完整α-羧酶体的组装和成熟。

图1 原绿球藻ɑ羧酶体的自组装模式图

香港科技大学周睿倩博士（现为中国科学技术大学博士后）和中国科学技术大学江永亮副教授为该论文的共同第一作者。香港科技大学曾庆璐副教授、中国科学技术大学周丛照教授和江永亮副教授为本文的共同通讯作者。冷冻电镜数据收集工作在香港科技大学生物冷冻电镜中心完成。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省科技厅以及香港研究资助局的资助，江永亮感谢中科院青促会的支持。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01660-9