研究揭示藍藻CO2濃縮機制中HCO3轉運蛋白BicA的結構與機理

　　11月11日，Nature Plants在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究組題為Structural mechanism of the active bicarbonate transporter from cyanobacteria 的研究論文。該研究解析了藍藻CO2濃縮機制中SLC26家族HCO3-轉運蛋白BicA的三維結構，揭示了其跨膜轉運HCO3-的分子機制。

　　藍藻在進化中形成了獨特的CO2濃縮機制(CO2 concentration mechanism， CCM)，顯著提高了光合作用效率。CCM由五種無機碳（HCO3-/CO2）轉運蛋白和羧酶體組成。BicA是CCM中的關鍵蛋白，是一種高通量低親和力的HCO3-轉運蛋白（轉運過程需要Na+），在分類上屬于Solute Carrier 26 （SLC26）家族轉運蛋白。與多數SLC家族轉運蛋白不同，SLC26家族轉運蛋白不僅包含有跨膜通道結構域，還包含一個膜內側的STAS結構域。人們對BicA轉運蛋白如何實現HCO3-高通量跨膜轉運，以及SLC26家族轉運蛋白的分子機制不清楚。

　　在該研究中，研究人員利用晶體學手段解析了BicA蛋白跨膜結構域和膜內側STAS結構域的三維結構，并且利用冷凍電鏡方法獲得了BicA全長蛋白低分辨率的三維結構。研究發現BicA是通過STAS結構域形成同源二聚體發揮功能，單獨的跨膜結構域不具備跨膜轉運活性或生理活性。這一特點很可能存在于所有的SLC26家族轉運蛋白中，并且與大多數已知的SLC家族轉運蛋白明顯不同。鑒于所獲得的BicA蛋白跨膜結構域的結構處于底物HCO3-和Na+結合且朝向細胞內的構象狀態（inward-facing substrate binding conformation），這使得人們清楚地看到了HCO3-和Na+的結合位點。基于結構的分析揭示了決定HCO3-特異結合的關鍵氨基酸殘基，并通過生理手段得到了驗證。最后，通過與已知其他家族（SLC4）HCO3-轉運蛋白的結構比較，研究人員提出了SLC26家族轉運蛋白跨膜轉運的“電梯模型”。值得一提的是，為提高C3植物的光合作用效率，科學家們近年來開始著手將藍藻CCM機制引入到綠色植物中。BicA作為一種高通量的HCO3-轉運蛋白成為首選的靶標，該研究結果為BicA的應用與改造奠定了分子基礎。