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近日，英国利物浦大学刘鲁宁教授团队与河南大学王强教授团队合作在国际学术期刊mBio上在线发表了题为Uncovering the roles of the scaffolding protein CsoS2 in mediating the assembly and shape of the α-carboxysome shell的研究论文。该研究系统地揭示了天然二氧化碳固定细胞器羧酶体中关键连接蛋白CsoS2如何调控羧酶体外壳的组装和形状，为深入了解羧酶体超分子系统的生物合成和功能、以及合成生物学和生物技术应用提供了重要科学依据。
羧酶体（Carboxysome）是一种存在于蓝藻和许多化能自养细菌中的类细胞器结构，负责进行二氧化碳固定。羧酶体的外形类似于病毒衣壳，由六聚体、五聚体和三聚体三种外壳结构单元组成。数以千计的外壳结构单元自发有序地组装形成二十面体结构，将固碳反应相关的酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）和碳酸酐酶（CA）封装在内，形成完整的羧酶体。羧酶体的自组装特性使其成为极具潜力的蛋白纳米笼，用于定向构建纳米生物反应器或运载平台递送目标蛋白或其他大分子。
CsoS2蛋白是羧酶体实现有序自组装所必需的关键支架连接蛋白。它包含N端（CsoS2-N）、中段（CsoS2-M）和C端（CsoS2-C）三个结构域。已有研究表明，CsoS2-N负责招募Rubisco；CsoS2-C则与外壳蛋白结合，决定外壳的组装。然而，CsoS2-M的具体功能尚未完全明晰。
研究人员通过合成生物学和分子遗传敲除羧酶体表达操纵子上编码CsoS2-M的核苷酸序列，发现缺失CsoS2-M的羧酶体外壳从原先约120 nm的直径缩小到约46 nm。此外，电镜下还观察到宽度约43 nm的细长管状结构（图1）。这表明CsoS2-M在调控羧酶体外壳的大小和曲率方面发挥了重要作用。研究人员推测CsoS2-M一方面通过结合外壳蛋白促进二十面体各平面的延伸；另一方面通过结合相邻平面交接位点，调节相邻平面之间的倾角，从而调控外壳的曲率。
图1. CsoS2-M 调控羧酶体外壳的尺寸和形状
进一步研究显示，在缺失CsoS2-C的前提下，CsoS2-M无法组织外壳结构单元形成直径大于23 nm的外壳（图2）。这表明CsoS2-C是组装羧酶体外壳的必要条件，而CsoS2-M是通过辅助CsoS2-C组织更多的外壳结构单元以形成完整的羧酶体外壳。研究人员推测，羧酶体外壳的组装可能起始于CsoS2-C与位于二十面体顶点处的外壳蛋白结合，随后CsoS2-M结合更多的外壳蛋白，并向外延伸形成大的平面，最终形成直径约120 nm的羧酶体外壳。
图2. CsoS2-M辅助CsoS2-C调控羧酶体外壳尺寸
为了进一步探究CsoS2-M调控外壳形态的机制，研究人员设计了多种截短型或延长型的CsoS2突变体，通过改变CsoS2-M中重复基序的数量以探究其对羧酶体外壳尺寸的影响。结果显示，外壳的尺寸与CsoS2-M中的重复基序的数量成正比（图3）。这表明CsoS2-M所包含的重复基序的数量决定了外壳尺寸。
图3. CsoS2-M中的重复基序数量决定了羧酶体外壳的尺寸
综上，该研究系统深入的剖析了CsoS2连接蛋白对羧酶体外壳组装和形状调控的分子机制，为从头设计或定向改造羧酶体外壳作为新型纳米材料奠定了坚实基础。这一成果有望推动基于羧酶体外壳的纳米生物反应器的开发，促进其在生物技术、作物植物改造、生物医药等领域的应用。
利物浦大学刘鲁宁教授与河南大学王强教授为文章共同通讯作者。利物浦大学与河南大学联合培养博士后李天佩为文章的第一作者。该项研究获得英国皇家科学院、生物科技及生物科学研究理事会、科技部重点研发项目、国家自然科学基金和中国博士后科学基金会的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1128/mbio.01358-24
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