研究揭示蓝藻CO2浓缩机制中HCO3-转运蛋白BicA的结构与机理

内容来源：中国科学院

　　11月11日，Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组题为Structural mechanism of the active bicarbonate transporter from cyanobacteria 的研究论文。该研究解析了蓝藻CO2浓缩机制中SLC26家族HCO3-转运蛋白BicA的三维结构，揭示了其跨膜转运HCO3-的分子机制。

　　蓝藻在进化中形成了独特的CO2浓缩机制(CO2 concentration mechanism, CCM)，显著提高了光合作用效率。CCM由五种无机碳（HCO3-/CO2）转运蛋白和羧酶体组成。BicA是CCM中的关键蛋白，是一种高通量低亲和力的HCO3-转运蛋白（转运过程需要Na+），在分类上属于Solute Carrier 26 （SLC26）家族转运蛋白。与多数SLC家族转运蛋白不同，SLC26家族转运蛋白不仅包含有跨膜通道结构域，还包含一个膜内侧的STAS结构域。人们对BicA转运蛋白如何实现HCO3-高通量跨膜转运，以及SLC26家族转运蛋白的分子机制不清楚。

　　在该研究中，研究人员利用晶体学手段解析了BicA蛋白跨膜结构域和膜内侧STAS结构域的三维结构，并且利用冷冻电镜方法获得了BicA全长蛋白低分辨率的三维结构。研究发现BicA是通过STAS结构域形成同源二聚体发挥功能，单独的跨膜结构域不具备跨膜转运活性或生理活性。这一特点很可能存在于所有的SLC26家族转运蛋白中，并且与大多数已知的SLC家族转运蛋白明显不同。

鉴于所获得的BicA蛋白跨膜结构域的结构处于底物HCO3-和Na+结合且朝向细胞内的构象状态（inward-facing substrate binding conformation），这使得人们清楚地看到了HCO3-和Na+的结合位点。基于结构的分析揭示了决定HCO3-特异结合的关键氨基酸残基，并通过生理手段得到了验证。

最后，通过与已知其他家族（SLC4）HCO3-转运蛋白的结构比较，研究人员提出了SLC26家族转运蛋白跨膜转运的“电梯模型”。值得一提的是，为提高C3植物的光合作用效率，科学家们近年来开始着手将蓝藻CCM机制引入到绿色植物中。BicA作为一种高通量的HCO3-转运蛋白成为首选的靶标，该研究结果为BicA的应用与改造奠定了分子基础。

　　张鹏研究组已毕业学生王程程是该研究工作的第一作者，张鹏为论文的通讯作者。生理功能分析工作与分子植物卓越中心研究员米华玲研究组、英国利物浦大学教授刘鲁宁研究组合作完成。该研究得到中科院先导B、基金委、上海市及英国皇家学会的资助。实验数据收集工作得到上海光源19U1/17U1线站、张江实验室蛋白分离制备系统、电镜平台和中国科学技术大学教授孙林峰的支持与帮助。

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图：BicA 跨膜转运HCO3-的机制模型。HCO3-的跨膜转运依靠core domain垂直于膜的上下运动（elevator mechanism）实现。