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蓝藻碳酸氢根转运蛋白的结构与调控机理研究

批准号:
32100961
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张雪
学科分类:
结构生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张雪

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
蓝藻在响应大气二氧化碳浓度的变化过程中进化出一种二氧化碳浓缩机制(CCM),可以主动转运无机碳到细胞内,以确保RuBisCO周围较高的二氧化碳浓度,从而显著提高光合固碳效率。蓝藻的无机碳摄取系统包含五种不同的碳酸氢根转运系统,并被视为增强C3植物光合作用的理想靶标,但其中两种转运蛋白的分子结构、转运机制及调控机理尚不清楚。本项目将深入研究蓝藻碳酸氢根转运蛋白SbtA与BCT1的转运活性与调控机理,解析SbtA-SbtB与BCT1复合体的蛋白结构并对其组装机理、转运活性以及关键氨基酸位点的功能活性进行深入分析,对植物与光合细菌的碳酸氢根转运蛋白同源物进行比较,揭示碳酸氢根转运在固碳过程中的关键作用,为植物光合作用的改造与应用提供研究基础。
英文摘要
The single-cell cyanobacteria are among the most abundant organisms on earth. They created and help to sustain our atmosphere, and account for an estimated 20-30% of current global carbon fixation. Cyanobacteria have evolved a unique CO2 concentrating mechanism (CCM) to increase the intracellular concentration of CO2 feeding to RuBisCO encapsulated in carboxysomes to improve photosynthesis. CCM contains three bicarbonate transporters transporting dissolved inorganic carbon (Ci), HCO3-, across the membrane to satisfy the great need of CO2 of RuBisCO. Among them, SbtA and BicA are sodium-dependent HCO3- transporters possessing high affinity and constitutive medium affinity, respectively; BCT1 is a HCO3- transporter complex powered by ATP hydrolysis. These Ci uptake systems have been considered as ideal targets to enhance photosynthesis in C3 plants. However, the molecular mechanisms of transport and activity regulation of Ci transporters remain largely unknown, which to a large extent limits their application in photosynthesis improvement..This project focuses on the structural and mechanistic study of the cyanobacterial bicarbonate transporters SbtA and BCT1. The aims of this project are to determine the complex structure of SbtA-SbtB and CmpABCD and to characterize the assembly and transport mechanism, by comprehensive application of single-particle cryo-EM and crystallography. The transport and regulatory mechanism revealed by this project will provide a valuable case to investigate allosteric regulation of membrane transporters. More importantly, there has been increasing interests in using CCM and Ci uptake systems to improve photosynthesis efficiency in plants and crops.
随着工业化的进程,二氧化碳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二氧化碳、提升光合效率的工作机制。其中,蓝藻在响应大气二氧化碳浓度的变化过程中进化出一种二氧化碳浓缩机制(CCM),可以主动转运无机碳到细胞内,以确保RuBisCO周围较高的二氧化碳浓度,从而显著提高光合固碳效率。蓝藻的无机碳摄取系统包含三种碳酸氢根转运蛋白,并被视为增强C3植物光合作用的理想靶标。在前期研究中,我们报道了HCO3-转运蛋白BicA的结构与跨膜转运机制。本项目的主要研究对象SbtA是一种高亲和力、低通量的钠离子依赖型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。.本项目通过表达纯化有活性的SbtA-SbtB蛋白复合体,并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;这两种结构分别处于HCO3-和AMP结合状态,且开口朝向细胞内。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:(1) SbtA采用“电梯模型”跨膜转运HCO3-;(2) SbtB通过自身的T环结构对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。.同时,在项目的支持下,针对植物激素转运蛋白的研究通过解析拟南芥ABCG25和ABCG16处于底物结合态与释放态不同构象的三维结构,揭示了植物激素脱落酸与茉莉酸的特异识别和跨膜转运机制,同时为植物ABC转运蛋白的底物识别与转运机制研究提供了重要参考。
植物钾离子通道GORK的三维结构与靶向气孔改造
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