《自然》杂志主题论文发表中科院移植瘤究成果(转帖）

2004年3月18日，世界上最具权威性的著名杂志《自然》以主题论文的方式发表了由中国科学院生物物理所、植物研究所合作完成的 “菠菜主要捕光复合物(lhc-ii)2.72 ?分辨率的晶体结构” 研究成果。该晶体的结构彩图被选作本期杂志的封面照片。

光合作用机理一直是国际上长盛不衰的研究热点，lhc-ii是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物。

这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的一个复杂分子体系，它们被镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。测定这样的膜蛋白复合体的晶体结构，是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。

在中国科学院知识创新工程、科技部“973”计划、国家自然科学基金委项目和国家“863”项目的支持下，在中国科学院生物物理研究所该领域多年科研积累下，常文瑞研究员主持的研究小组经过6年的艰苦努力终于在最近完成了这一重要复合体三维结构的测定工作。

中国科学院植物研究所匡廷云院士主持的研究小组，经过多年的艰苦努力，分离、纯化了这一重要的光合膜蛋白(lhc-ii)，为晶体和空间结构的解析打下了物质基础，这是生物化学、结晶学及结构生物学的有机结合所取得的重大成果，

使我国在高等植物lhc-ii三维结构测定方面成功地超越了德国和日本等发达国家的多家实验室，率先完成了这一具有高度挑战性的国际前沿课题。

这是国际上第一个用x-射线晶体学方法解析的绿色植物捕光复合物高分辨率空间结构，推动了我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究进入国际领先水平。

这一成果的主要内容主要是：

发现了膜蛋白结晶的第三种方式。膜蛋白lhc-ii在晶体中先组装形成一个二十面体形状的空心球体，再以此为基本单位在晶体中周期排列。这种堆积方式完全不同于以往所报道的i型和ii型的膜蛋白晶体，是迄今为止所发现的膜蛋白结晶的一种全新方式。这一发现是膜蛋白结构生物学研究领域的一个创新点。

首次报道了二十面体状的膜蛋白—脂复合体的空心球体的结构。由六十个lhc-ii单体组成一个具有典型正二十面体对称特征的空心球体，其球壳结构提供了一个包括膜蛋白，色素分子和脂分子在内的一个类似光合膜的完整结构模型。对于在分子水平上研究光合膜内蛋白，色素分子以及蛋白与脂分子之间的相互作用具有重要的学术意义。

首次揭示了色素分子在复合物中的排布规律。对每一个复合物单体中的14个叶绿素分子和4个类胡萝卜素分子的具体归属进行了准确的确认。每个色素分子在三维空间的取向和位置得到了精确的测定。在此基础上发现了独特的色素排布特征，解释了lhc-ii能够高效进行光能吸收和传递的原因。

在2.72 ?分辨率上提供了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子和水分子在内的近三万个独立原子的高精度三维坐标数据。

这套数据目前已存入国际蛋白质数据银行(pdb)。根据这一结构数据，首次完整地建立了该复合体内的能量传递网络，提出了基于结构的光保护分子机理模型，阐述了植物在高光强条件下通过lhc-ii的调节作用对多余的光能进行耗散以实现自我保护的机理。对培育高光效和强抗逆性作物具有潜在的指导意义。

这一成就已经引起了众多国际同行的广泛关注，正如他们所评价的：“这是光合作用研究领域的一大突破，对于理解植物光合作用中所发生的捕光和能量传递过程是必不可少的”，“这一成果标志了光合作用研究的重大跨越”。

合作单位：

直接参与本研究课题的单位和人员：

中国科学院生物物理研究所(主持单位)

柳振峰、严汉池、张季平、桂璐璐、安晓敏、常文瑞

中国科学院植物研究所(合作单位)

王可玢、匡廷云

对本项研究有贡献的人员和单位：

梁栋材院士(中科院生物物理所)

汤佩松院士(中科院植物所)

顾孝诚教授(北京大学生命科学学院)

n.sakabe, k.sakabe

赵福洪、娄世庆(中科院植物所)

生物大分子国家重点实验室结构生物学研究组(中科院生物物理所)

日本筑波光子工厂同步辐射实验室

中科院高能物理所同步辐射实验室

光合作用：

光合作用是生物体将光能转化为化学能的过程。绿色植物，藻类和兰细菌通过光合作用利用太阳能，将水和二氧化碳转变为有机化合物并放出氧气。光合作用是自然界中最重要的化学反应,是生命活动包括人类在内赖以生存和繁衍的基础，也是能源利用和开发的一个重要方向。

光合作用需要由捕光系统和光反应中心共同完成,捕光系统负责接收太阳光能并把它传给光反应中心，捕光蛋白复合物的三维结构是植物“高光效”(高效利用光能)研究的结构基础，对能源的利用和新能源的开发均具有重要意义。

lhc-ii是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，它结合了参与植物光合作用的天线叶绿素总量的一半。这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的一个复杂分子体系，它们被镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。

蛋白数据银行中的膜蛋白：

在现有的蛋白质数据银行(pdb)中属于膜蛋白的结构数据仅占所有存入的数据的0.6%，而在细胞中膜蛋白却占了所有蛋白总数的约30%。

膜蛋白在各种各样重要生物学的基本过程中起着关键的作用，如光合作用，呼吸作用，神经信号传导，免疫反应和营养物质的吸收等。对于膜蛋白所承担的重要生物学功能的深入理解还有赖于高分辨率膜蛋白三维结构的解析。

项目的由来：

中科院生物物理所梁栋材院士、植物所已故的汤佩松院士为这一课题的创立做出了前瞻性的决定，为课题的持续进行和最终得以突破奠定了基础。在中国科学院知识创新工程和“973”、“863”、国家基金会的共同支持下，由中科院生物物理所、植物所等研究机构集中了数位优秀科学家，通过学科交叉，精诚团结，终于取得了这一具有原始创新性的重大成果。