【生物帮】BMC Biology:中科院遗传所刘翠敏研究组发表叶绿体分子伴侣素结构与功能协作研究成果

日期：2016-04-29资料来源：生物质

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摘要： 2016年4月12日，在国际学术BMC系列旗舰刊物《BMC Biology》杂志上，中国科学院遗传发育生物学研究所刘崔民研究组发表了叶绿体分子伴侣素结构和功能合作研究进展文章。

2016年4月12日，国际学术BMC系列旗舰刊物《BMC biology》杂志上在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所刘翠敏研究组在叶绿体分子伴侣素结构与功能协作研究进展文章。刘翠敏研究组博士研究生张世佳为该论文第一作者，刘翠敏研究员为论文通讯作者。

子伴侣折叠体内10-20%的蛋白质，并参与蛋白质运输，组装复杂蛋白复合体，在生命体的正常生长与逆境胁迫过程中起关键作用。分子伴侣素(Chaperonin)，也即分子伴侣Hsp60，是一类广泛分布在原核生物和真核生物中的重要伴侣蛋白，是分子量为60 kD 的亚基组装的双环桶状寡聚体(含14~18个亚基)，底物蛋白在中央空腔内进行折叠。目前，真细菌分子伴侣素GroEL、线粒体分子伴侣素Hsp60、真核生物胞质分子伴侣素TRiC、古细菌分子伴侣素热聚体都有电镜和晶体结构报道，对它们的功能循环机制也有深入的研究。叶绿体chaperonin(Cpn60)亚基分化成两大类型：α 和 β，折叠光合作用固碳关键酶Rubisco大亚基，在Rubisco生物合成途径中具有关键作用。但Cpn60的结构和功能协作模式并不清楚。

刘翠敏研究组联合上海同步辐射光源(大科学装置)成功解析了第一颗真核生物(衣藻，Chlamydomonas reinhardtii)叶绿体Cpn60β1的同源寡聚体结构(分子量高达800 kD)，分辨率达3.8 Å：与GroEL相比，Cpn60的底物结合空腔直径变大，亚基排列疏松，还拥有更宽的ATP结合口袋等显著特点，这些发现完美解释了Cpn60聚合体状态不稳定，高ATP酶活，和易被蛋白酶降解等前期研究发现的Cpn60代表性现象，为Cpn60的研究奠定了结构认知基础。同时，在体外证明了Cpn60β1可以和众多辅伴侣互作，具有ATP酶活性和正确的分子变构形式(电镜观察到‘football和bullet’两类经典形式)，且可以回补GroEL缺失造成的致死表型。进一步通过结构域交换重组和定点突变，揭示决定不同类型亚基明显生化性质差异的分子基础：赤道区决定聚合体的形成并参与不同类型亚基间的分子协作，对功能发挥起重要作用。这些结果一方面填补了Cpn60研究的结构空白，另一方面首次报道了Cpn60α赤道区导致的单体倾向对异源寡聚体功能发挥的重要贡献。

图：衣藻叶绿体Cpn60β1的同源寡聚体晶体结构

原文链接：

Structural insight into the cooperation of chloroplast chaperonin subunits

原文摘要：

Background

Chloroplast chaperonin, consisting of multiple subunits, mediates folding of the highly abundant protein Rubisco with the assistance of co-chaperonins. ATP hydrolysis drives the chaperonin allostericcycle to assist substrate folding and promotes disassembly of chloroplast chaperonin. The ways in which the subunits cooperate during this cycle remain unclear.

Results

Here, we report the first crystal structure of Chlamydomonas chloroplast chaperonin homo-oligomer (CPN60β1) at 3.8 Å, which shares structural topology with typical type I chaperonins but with looser compaction, and possesses a larger central cavity, less contact sites and an enlarged ATP binding pocket compared to GroEL. The overall structure of Cpn60 resembles the GroEL allosteric intermediate state. Moreover, two amino acid (aa) residues (G153, G154) conserved among Cpn60s are involved in ATPase activity regulated by co-chaperonins. Domain swapping analysis revealed that the monomeric state of CPN60α is controlled by its equatorial domain. Furthermore, the C-terminal segment (aa 484–547) of CPN60β influenced oligomer disassembly and allosteric rearrangement driven by ATP hydrolysis. The entire equatorial domain and at least one part of the intermediate domain from CPN60α are indispensable for functional cooperation with CPN60β1, and this functional cooperation is strictly dependent on a conserved aa residue (E461) in the CPN60α subunit.

Conclusions

The first crystal structure of Chlamydomonas chloroplast chaperonin homo-oligomer (CPN60β1) is reported. The equatorial domain maintained the monomeric state of CPN60α and the C-terminus of CPN60β affected oligomer disassembly driven by ATP. The cooperative roles of CPN60 subunits were also established.

作者：刘翠敏 点击：次