β-羧酶体生物起源中基于CcmM的Rubisco冷凝物的形成(Letter)

摘要

细胞利用酶的区室化作为一种策略来调节代谢途径并提高其效率。蓝藻细胞的α-和β-羧酶体包含核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（二磷酸核酮糖羧化酶Rubisco）——复杂的八大（RbcL）和八小（RbcS）子单元——以及碳酸酐酶。由于HCO₃⁻可以在蛋白质羧酶体壳中扩散但二氧化碳不能，碳酸酐酶产生高浓度的二氧化碳用于Rubisco的碳固定。羧酶体壳还防止接触还原剂，因而产生了氧化环境。β-羧酶体的形成涉及到蛋白质CcmM对Rubisco的聚合，CcmM有两种存在形式：全场CcmM（细长聚球藻PCC7942中的M58），其中包含一个碳酸酐酶样结构域，以及柔性连接器连接的三个Rubisco小亚单元（SSUL）模块；和缺少碳酸酐酶样结构域的M35。长期以来，人们推测SSUL模块通过取代RbcS与Rubisco相互作用。本研究重新构建了Rubisco-CcmM复合物，并研究了它的结构。与预期相反，SSUL模块并没有取代RbcS，而是在Rubisco的赤道区域附近在RbcL二聚体之间结合，将Rubisco分子连接起来，诱导相分离形成液状基质。SSUL中二硫键的形成增加了网络的灵活性，是体内羧酶体功能所必需的。值得注意的是，Rubisco液状冷凝物的形成是通过与SSUL域的动态相互作用而不是低复杂度序列介导的，后者通常介导真核生物的液-液相分离。事实上，在真核藻类的核酮体（羧酶体的功能同源体）中，Rubisco通过与本质上无序的蛋白质EPYC1相互作用，呈现出一种类似液体的状态。了解羧酶体的生物发生机制对于植物中二氧化碳富集机制的设计具有重要意义。