近日，杭州師范大學(xué)徐曉玲課題組在PNAS發(fā)表題為

Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium

Chloroflexus aurantiacus

F型ATP合酶（F-type ATP synthase，F(xiàn)1FO）廣泛分布于線粒體內(nèi)膜、葉綠體類囊體膜、異養(yǎng)菌和光合細(xì)菌的質(zhì)膜上，利用呼吸和光合電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（Proton motive force，PMF）旋轉(zhuǎn)催化ADP和無(wú)機(jī)磷酸鹽合成細(xì)胞的“能量貨幣”ATP。作為細(xì)胞能量代謝的發(fā)動(dòng)機(jī)，自1960年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，F(xiàn)1FO的亞基組成、空間結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。

從細(xì)菌到人的所有物種中，F(xiàn)1FO都由一個(gè)可溶的催化頭部F1和一個(gè)膜包埋的FO組成，兩者通過(guò)一個(gè)弓形的外周莖和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的中心軸相連接。F1由三對(duì)交替排列的α/β亞基構(gòu)成，圍繞中心軸（γ和ε亞基）組成類似橘瓣的六聚體，通過(guò)β亞基的構(gòu)象改變催化ATP的合成與水解。FO包含一個(gè)跨膜的a亞基和8~17個(gè)c亞基形成的c環(huán)，a亞基與c環(huán)的界面上分布著開(kāi)口朝向膜兩側(cè)的2個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)半通道，并與外周莖（b2δ）緊密結(jié)合而組成“定子”；c環(huán)的頂端與中心軸接觸組成“轉(zhuǎn)子”。在PMF的作用下，質(zhì)子通過(guò)a亞基的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)驅(qū)動(dòng)c環(huán)及中心軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而引起α3β3的活性中心發(fā)生周期性構(gòu)象改變，從而催化ATP的合成。

為了適應(yīng)光照條件改變引起的快速PMF變化，光合生物的F1FO在進(jìn)化中獲得了獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征和調(diào)控機(jī)制。與細(xì)菌和線粒體F1FO含有8~13個(gè)c亞基不同，植物葉綠體和藍(lán)細(xì)菌的F1FO通過(guò)增加c亞基的數(shù)目（13~15）來(lái)提高H+/ATP比率。為了適應(yīng)光照與黑暗環(huán)境的轉(zhuǎn)變，葉綠體F1FO通過(guò)γ亞基中一段插入序列中二硫鍵的氧化還原來(lái)調(diào)控ATP的水解活性。作為具有原始光能合成體系的原核生物，光合細(xì)菌是研究光合作用起源和進(jìn)化、物質(zhì)能量代謝機(jī)制的良好模式生物。然而，除了葉綠體F1FO的結(jié)構(gòu)，目前還沒(méi)有任何來(lái)自光合細(xì)菌完整F1FO結(jié)構(gòu)相關(guān)的報(bào)道，限制了對(duì)F1FO起源、進(jìn)化和作用機(jī)制多樣性的深入理解。

徐曉玲課題組前期聚焦地球上出現(xiàn)最早的光合細(xì)菌——綠色非硫細(xì)菌的電子傳遞和能量代謝機(jī)制，通過(guò)對(duì)其光合膜蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能研究，系統(tǒng)揭示了環(huán)式電子傳遞鏈的組成和作用機(jī)制（Nat Commun. 2018；Sci Adv. 2020；Photosynth Res. 2020；eLife, 2023；Plant Commun, 2024；Plant Cell, 2024；Structure，2025）。然而，此類光合細(xì)菌合成ATP的分子機(jī)制仍不清楚（圖1）。

圖1 綠色非硫細(xì)菌的光合電子傳遞鏈和ATP合成（光合磷酸化）。

該研究以Chloroflexus aurantiacus為材料，內(nèi)源分離提取出完整的ATP合酶（CaF1FO），分別解析了結(jié)合和不結(jié)合底物ADP的樣品在三種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的高分辨電鏡結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了一種全新的F1FO結(jié)構(gòu)特征和獨(dú)特的質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。與以往報(bào)道的所有ATP合酶截然不同，CaF1FO含有2個(gè)外周莖（b1b2δ1和b3b4δ2）和2個(gè)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的a亞基（圖2）。在旋轉(zhuǎn)催化過(guò)程中，2個(gè)外周莖為偶聯(lián)CaF1進(jìn)動(dòng)（precession）和c10環(huán)的旋轉(zhuǎn)提供了顯著的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和構(gòu)象靈活性：2個(gè)外周莖中間螺旋區(qū)域呈現(xiàn)出不對(duì)稱的彎曲形態(tài)，以防止旋轉(zhuǎn)催化過(guò)程中CaF1頭部的擺動(dòng)；在CaF1頂端，2個(gè)δ亞基的N端（δ-N）形成二聚體，通過(guò)顯著的構(gòu)象變化釋放旋轉(zhuǎn)過(guò)程中儲(chǔ)存的彈性能量。

圖2目前解析的完整F1FO結(jié)構(gòu)及其所屬物種進(jìn)化樹(shù)和CaF1FO的電鏡結(jié)構(gòu)。

最特別的是，2個(gè)a亞基在膜周質(zhì)側(cè)和胞質(zhì)側(cè)分別形成2個(gè)質(zhì)子入口和2個(gè)質(zhì)子出口，賦予CaF1FO獨(dú)特的質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。在PMF的驅(qū)動(dòng)下，膜周質(zhì)側(cè)的質(zhì)子通過(guò)入口同時(shí)進(jìn)入a/c10環(huán)交界面的2個(gè)質(zhì)子半通道。由于2個(gè)“檢查點(diǎn)”aArg249和2個(gè)質(zhì)子出口的存在，c10環(huán)只需要旋轉(zhuǎn)4個(gè)和6個(gè)子步驟就可以將質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)側(cè)。與僅含有1個(gè)a亞基和c10環(huán)的ATP合酶相比，CaF1FO的c10環(huán)旋轉(zhuǎn)一周可以跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)20個(gè)質(zhì)子并催化3分子ATP的合成。因此，通過(guò)增加a亞基的數(shù)目，CaF1FO獲得了顯著高于傳統(tǒng)單個(gè)a亞基F1FO的H+/ATP比率，以適應(yīng)極端環(huán)境中光照條件改變所引起的快速PMF變化。

圖3 CaF1FO的質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

綜上所述，本研究解析了首個(gè)來(lái)自進(jìn)化早期光合細(xì)菌的完整F1FO結(jié)構(gòu)，揭示了一種全新的F1FO亞基組裝方式和質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了對(duì)光合細(xì)菌ATP合酶結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制研究的空白，全面繪制了絲狀不放氧光合細(xì)菌光合磷酸化的全景圖，將為基于ATP合酶結(jié)構(gòu)的酶改造、靶向藥物設(shè)計(jì)、人工細(xì)胞器和仿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等提供新思路。

杭州師范大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生張?chǎng)?/strong>為論文第一作者，徐曉玲教授為通訊作者，清華大學(xué)饒子和院士為研究?jī)?nèi)容提供了寶貴建議。課題組博士生吳婧怡、洪鑫，碩士生王佳茂、裴鑫楷和碩士畢業(yè)生閔真真參與了研究。冷凍電鏡樣品的檢查和數(shù)據(jù)的收集得到了浙江大學(xué)和西湖大學(xué)冷凍電鏡中心的共同支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2425824122