张鹏研究组揭示蓝藻CO2浓缩系统HCO3-跨膜转运机制

研究背景

随着工业化的进程，CO2等温室气体的排放给人类赖以生存的环境带来了挑战。应对这一挑战的重要策略之一是利用植物及其他光合生物的光合作用实现“碳中和”。植物和藻类体内存在浓缩CO2、提升光合效率的工作机制。其中，蓝藻为了适应低CO2的环境，进化出了特殊的CO2浓缩机制 (CO2 concentration mechanism, CCM)。CCM由五种不同的无机碳摄取系统和羧酶体构成。其中，BicA、SbtA和BCT1是CCM中三种重要的HCO₃^-转运蛋白（图 1）。BicA是一种高通量的Na⁺依赖型HCO₃^-转运蛋白。在前期研究中，张鹏研究组报道了BicA的结构与跨膜转运机制（Nat Plants, 2019）。本研究的关注对象SbtA是一种高亲和力、低通量的Na+依赖型HCO₃^-转运蛋白，其活性受到PII信号转导超家族成员SbtB蛋白的别构调控。然而，人们对SbtA的跨膜转运过程和别构调控缺乏了解。

研究过程

研究人员以蓝藻Synechocystis sp. PCC6803的SbtA和SbtB蛋白为研究对象，表达纯化了有活性的SbtA-SbtB蛋白复合体，进而利用单颗粒冷冻电镜和晶体学技术解析了SbtA-SbtB复合体的结构，分别处于HCO₃^-和AMP结合状态，且开口朝向细胞内（inward-facing state）。结构与功能分析揭示了底物HCO₃^-和Na+在SbtA上的结合位点、别构调控分子AMP/cAMP在SbtB上的结合位点。研究提出了SbtA跨膜转运以及受SbtB别构调控的分子模型（图2）：1）SbtA采用“电梯模型”跨膜转运HCO₃^-；2）SbtB通过自身的T环结构（T-Loop）对SbtA进行别构调节。AMP分子结合SbtB可以稳定T环结构，从而促进SbtB与SbtA结合，并将SbtA锁定在开口朝内的构象状态，从而抑制SbtA的转运活性；而cAMP结合SbtB时则改变T环结构从而使SbtB与SbtA解离，从而解除SbtB对SbtA的抑制。该项研究揭示了SbtB通过感受体内的AMP/cAMP浓度水平来调控SbtA转运活性的分子机制，同时为改造利用藻类CCM奠定了重要分子基础。

相关信息

张鹏研究组的博士研究生方孙贞合、黄小伟和博士后张雪为该项工作的共同第一作者。张鹏研究员和张雪博士为该研究的共同通讯作者。研究得到了科技部国家重点研发计划、中科院先导项目、国家自然科学基金、上海市科委等的资助。冷冻电镜数据收集工作得到西湖大学和国家蛋白质中心（上海）冷冻电镜平台的大力支持，晶体衍射数据收集工作得到国家蛋白质中心BL19U1线站的支持与帮助。

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