本文介绍了一种从硅藻中分离岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白(FCP),并将其整合到具有天然脂质组成的脂质体中,以研究离子组成变化对激发能传递影响的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文介绍了一种从硅藻中分离岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白(FCP),并将其整合到具有天然脂质组成的脂质体中,以研究离子组成变化对激发能传递影响的实验方案。
植物、藻类和硅藻的光合性能在很大程度上依赖于叶绿体类囊体膜中光能捕获与能量传递过程的快速而高效的调控。硅藻的光捕获天线,即所谓的岩藻黄质叶绿素a/c结合蛋白(FCP),在光吸收及高效将能量传递至光合反应中心方面发挥关键作用,同时也参与强光条件下的光保护。这两种功能之间的转换机制长期以来一直是研究的重点。许多相关研究使用了在去垢剂胶束中的FCP进行实验。在进行相互作用研究时,去除去垢剂会导致FCP复合物发生非特异性聚集。这种方法难以区分实验假象与具有生理意义的数据。因此,若将FCP及其他膜结合光捕获复合物置于其天然脂质环境中进行研究,则可更可靠地获得有关蛋白-蛋白相互作用、能量传递及其他光谱特性的信息。该方法的主要优势在于,脂质体具有明确的尺寸和脂质/蛋白比例,从而可精确控制FCP的聚集程度。此外,调控光捕获过程的pH值和离子组成的变化也可在该体系中进行模拟和研究。 体内 可以轻松模拟。与类囊体膜相比,脂质体更加均一且结构更简单,这使得获取和理解光谱数据更为容易。本方案描述了FCP的分离与纯化、脂质体制备,以及将FCP整合到具有天然脂质组成的脂质体中的操作步骤。文中还给出了典型应用的结果并进行了讨论。
光合生物(如硅藻)必须应对不断变化的光照条件,并通过复杂的适应机制维持高光合效率,同时防止过量光照引起的光氧化损伤。在光合真核生物中,一种主要的光保护过程是高能淬灭(qE在光胁迫条件下,吸收光能的耗散是非光化学淬灭(NPQ)的主要贡献因素1,2,3. 光捕获天线复合体(LHC)参与调控激发能传递途径。作为对高光强引起的低 pH 在叶绿体腔内,天线系统从光捕获状态转变为淬灭状态。这种能量耗散状态可保护类囊体膜中的光系统(PS)及其他复合物免受光氧化损伤。在光合真核生物中,该淬灭过程(qE 通常由两个因素诱导1,2,3. 一个因素是能够响应低光环境的特化光捕获蛋白 pH. PsbS 蛋白诱导 qE 在高等植物中4. LhcSRs5,受PsbS活性调节,诱导qE 在绿藻中6. 硅藻含有与LHCSR在结构上相关的Lhcx样蛋白7,8,9,10.
qE 的第二个因素是类胡萝卜素循环,其中天线中的类胡萝卜素通过去环氧作用转化为光保护形式,并通过环氧作用恢复原状。在植物和绿藻中,紫黄质被转化为玉米黄质;在硅藻中,二色藻黄质被转化为硅藻黄素,这一转化与非光化学猝灭(NPQ)的程度密切相关11。尽管硅藻的光捕获天线在进化上与植物和藻类的光捕获复合体(LHCs)相关,但具有一些特殊性质。其从光捕获向光保护状态的转换极为迅速,且其非光化学猝灭能力高于植物12。这可能是硅藻能够在多种生态位中成功生存的原因之一,使其对海洋净初级生产力的贡献高达45%13。因此,硅藻的光捕获系统成为光合作用研究中一个引人关注的研究对象。
硅藻,如中心纲物种 圆筛藻(Cyclotella meneghiniana) 具有类囊体固有的光捕获系统,该系统以其结合的色素命名——岩藻黄素、叶绿素(chl)a 和 c,因此称为 FCP。光捕获蛋白(如 FCP)嵌入由多层膜组成的类囊体膜系统中。硅藻的类囊体以三条为一束排列。这一复合体 这种情况使得在类囊体膜的分子水平上研究它们变得困难。此外,许多组分参与了光捕获的调控(见上文)。因此,在许多研究方法中,使用温和的去垢剂(如正十二烷基-β-D-麦芽糖苷(β-DDM))将这些复合物从膜中分离出来,这类去垢剂能够溶解膜结构,同时保持FCP复合物的完整性。大量光谱学研究采用溶解后的FCP来探究分子内的能量传递过程14,15,16,17然而,这种早期方法存在局限性,因为能量传递的调控需要与其他天线复合物或光系统之间发生激子相互作用。因此,这类研究无法在溶解的复合物中进行,因为复合物之间的相互作用在溶解状态下会丧失。
天线调控中的一个重要特征是天线复合物与光系统在类囊体膜中的“分子拥挤”现象18. 过去,曾采用一种简单的方法来模拟这一效应 体外 去除了去垢剂,导致天线复合物发生随机聚集。尽管通过该方法获得了一些合理数据17,19,去污剂的去除并不能反映实际情况 体内 并且存在一些局限性,因为这些复合物并未以其正常的三级结构相互作用。
脂质体的使用克服了此前存在的多个局限性。其三级结构仍保持完全完整。脂质体膜为捕光复合物提供了准天然的环境。该膜将脂质体内部与外部环境分隔开来。通过这种方式,脂质体为研究离子梯度和pH梯度以及物质运输过程提供了两个反应区室。此外,该实验体系的参数更易于调控,有利于对类囊体膜进行研究。脂质体已被证实是研究光合作用复合物的优良工具。过去的研究重点主要集中在植物LHC上,其中已测试了不同脂质组成对LHC II20的影响。在其他研究中,探讨了不同LHC II之间的蛋白质-蛋白质相互作用21。此外,一些针对绿藻的研究描述了LHC之间可自发形成簇状聚集22。考虑到硅藻在水生生态系统中的重要性,目前针对硅藻捕光复合物的研究仍相对较少。已有两项研究聚焦于中心硅藻Cyclotella meneghiniana的捕光复合物,分别揭示了FCP捕光复合物的簇状聚集特性23以及FCP对电化学梯度的响应能力24。因此,脂质体是在接近天然条件下研究硅藻捕光天线及其相互作用与调控机制的优良工具。该体系具有高度可调性,可精确控制多种条件,如脂质组成、脂质体尺寸、蛋白质密度以及周围水相环境。此外,该方法所需样品量较少,实验体系稳定且高度可重复。脂质体的区室化结构使其可用于研究pH梯度和离子梯度,而这些正是调控捕光复合物的重要因素。
本文描述了从C. meneghiniana中分离FCP捕光复合体,并将其与天然类囊体脂质组成共同组装入脂质体的方法。此外,我们提供了可溶性FCP以及脂质体中FCP的光谱表征示例数据,并对二者进行了比较。该方法总结了Gundermann和Büchel 201223、Natali et al. 201622以及Ahmad和Dietzel 201724研究中优化所得的知识与标准化操作流程。

图1:工作流程示意图。(1) 参见第1段,该段描述了细胞生长、破碎及类囊体膜的分离,并通过蔗糖密度梯度进一步分离捕光色素蛋白复合体(FCP)。 C. m.-Cyclotella meneghiniana 细胞 (2) 天然类囊体脂质混合物(MGDG、DGDG 和 SQDG)的制备(见第 2 段)及使用辛基葡萄糖苷(OG)形成脂质-去垢剂胶束。通过使用特定孔径的滤膜进行挤出处理,获得特定尺寸的脂质胶束。将 FCP 与脂质胶束按预设的脂质:蛋白比例混合,随后去除去垢剂 OG 和 β-DDM 通过 通过控制透析法制备FCP蛋白脂质体。 请点击此处以查看此图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
注意:光合作用复合体(如 FCPs)对光和热极为敏感。操作时务必在冰上进行,并置于极暗的光线下。
1. 从细胞中分离 FCP

![figure-protocol-2 叶绿素c浓度计算公式,方程:chl c [mg/mL] = 24.34×ABS630nm - 3.73×ABS664nm。](/files/ftp_upload/58017/58017eq2.jpg)

图 2:FCP 的纯化、光谱检测与纯度验证。 (A) 蔗糖密度梯度经夜离心后的典型外观。所有棕色条带均含有由 FCPa 和 FCPb 组成的 FCP 组分。pigm. — 未结合的色素,PS — 光系统。(B) 使用截留分子量为 30 kDa 的离心过滤装置浓缩前后 FCP 的吸收光谱(蓝色实线为浓缩前,橙色虚线为浓缩后)。类胡萝卜素特别容易从 FCP 中丢失,这将导致 500–550 nm 范围内的吸光度降低。图谱已归一化至叶绿素 Qy 在约 670 nm 处的最大吸收峰。(C) 以叶绿素 c(465 nm)激发时的叶绿素 a 发射光谱,用于检测功能性激发能传递。若叶绿素 c 向叶绿素 a 的能量传递受阻,则会在约 640 nm 处出现额外的荧光峰(叶绿素 c)。图谱已归一化至发射最大值。(D) 在 675 nm(叶绿素 a 荧光最大值)处记录的激发光谱,用于检测所有在 370 nm 至 600 nm 范围内吸收光的色素向叶绿素 a 的能量传递。若向叶绿素 a 的能量传递效率降低,则在 465–550 nm 范围内的荧光产率将显著下降。图谱已归一化至约 440 nm 处的最大值。(B)、(C) 和 (D) 中的光谱在浓缩效果良好时几乎完全一致。(E) 利用 Tris-tricine 凝胶28 检测分离所得 FCP 的纯度。FCPa 和 FCPb 的亚基分子量介于 18–19 kDa 之间。所有银染可见、分子量大于 20 kDa 的蛋白质均为污染物。Thyl. — 类囊体 请点击此处查看该图的放大版本。
2. 脂质体的制备及FCP的包封

图3:FCP蛋白脂质体的分离及其光谱检测与共聚焦成像。(A) 脂质体经离心后FCP的回收情况。将离心管倾斜至45°,静置约1分钟——脂质体会向下移动,而未被包埋入脂质体的FCP聚集体则附着在管壁上。(B) 去垢剂中溶解的FCP(蓝色)与脂质体中FCP(橙色)的吸收光谱比较。(C) 与(B)相同的光谱,归一化至红光区域叶绿素a的最大吸收峰(~670 nm,Qy峰);去垢剂中溶解的FCP(蓝色)与脂质体中FCP(橙色)。可能存在主要为类胡萝卜素的色素损失,这在500–550 nm区域可见。FCP在脂质体中的聚集可能导致叶绿素a最大吸收峰(~670 nm)展宽并轻微红移。(D) 去垢剂中溶解的FCP与脂质体中FCP的发射光谱。FCP在脂质体中的聚集增强了FCP复合物之间的能量相互作用,从而降低荧光产率(橙色曲线),并使发射峰略微红移。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本方案描述了从Cyclotella meneghiniana中分离总FCP组分,并将其整合到具有天然脂质组成的脂质体中的方法。类囊体的分离具有高度可重复性,但类囊体得率可能有所变化。若在步骤1.1.4中回收的色素超过总量的50%,结果即为可接受;回收率超过80%为最佳。
类囊体的溶解是一个关键步骤。若步骤1.2.2后的上清液中含有大部分色素,则表明膜已充分溶解。若能清晰区分出褐色条带(FCP)和绿色条带(PS),则说明捕光复合体(FCP)与光系统已实现良好分离。图 2A)。梯度顶部出现明显的黄绿色条带表明因过度溶解而导致的色素损失。每次制备过程中均可能发生色素损失,只要不影响能量向chl a的转移功能,一定程度的色素损失是可以接受的图 2C二维)。此外,FCP 富集步骤(1.2.4)...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
具有天然脂质成分的FCP脂质体为研究光谱特性提供了一种便捷、简单且可重复的工具 体外 FCP脂质体中的脂质环境类似于类囊体膜内的状况,因此获得的实验结果更接近于自然条件。
C. meneghiniana 作为 FCP 天线的研究模型系统具有多个优势。与其他硅藻模式物种(例如 Thalassiosira pseudonana)相比,其生长速度相对较快,且更为强健。细胞在珠磨机中易于破碎,可获得较高产量的完整类囊体复合物。C. meneghiniana 最主要的优势在于近年来已积累了丰富的生物化学与光谱学数据16,17,23,27,29,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Rana Adeel Ahmad在FCP纯化方面的协助。感谢Claudia Büchel教授提供的有益讨论及对稿件的审阅。本工作得到了德国研究基金会对LD的资助(DI1956-1/1)以及洪堡基金会为LD提供的费奥多·林嫩奖学金的支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 500 ml 离心管 | |||
| 高速离心机 | Heraeus | ||
| Bead Mill VI 2 | Edmund-Bühler(edmund-buehler.de) | 新版本:Vibrogen-Zellmühle Vl 6 | |
| Silibeads S 400 µm | Sigmund-Lindner.com | 5223-7 | |
| Silibeads S 1,-1,3 mm | Sigmund-Lindner.com | 4504 | |
| VitraPOR 滤器漏斗 - por1 | ROBU GmbH | 21121 | |
| 聚碳酸酯超速离心管(30 mL),用于 T-865 | 贝兰实验室äte (Laborgeraete-beranek.de) | 314348 | |
| Ultracentrifuge Discovery 90SE | Sorvall | n.a. | |
| 转子 T 865 | ThermoFisher Scientific (thermofisher.com) | 51411 | |
| 改进型纽鲍尔细胞计数板 | 卡尔罗思实验室用品(Carlroth.com) | T729.1 | |
| 蔡司显微镜 Primostar (7) | Optik-Pro (optik-pro.de) | 51428 | |
| 光学玻璃比色皿(6040-OG) | Hellma Analytics (hellma-analytics.com) | "6040-10-10" | |
| V-630 紫外-可见分光光度计(含软件) | Jasco (jasco.de) | V-630 | |
| 正十二烷基-β正辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷 | ANATRACE (anatrace.com) | D310LA | |
| 超清晰管 17 ml,用于 AH629 | 贝兰实验室äte (Laborgeraete-beranek.de) | 344061 | |
| 转子 AH629-17-mL | 赛默飞世尔科技(thermofisher.com) | 54285 | |
| 膜浓缩器_Centriprep 30 kDa 截留分子量 | 默克密理博(merckmillipore.com) | 4307 | |
| Biometra Minigel-Twin | Analytik Jena AG(analytik-jena.de) | 846-010-100 | |
| Silver Stain Plus试剂盒 | Bio-Rad(bio-rad游戏副本) | 1610449 | |
| LibreOffice 电子表格 | 文档基础 | https://de.libreoffice.org/download/libreoffice-still/ | |
| 用于荧光的特殊玻璃比色皿(101-0S) | Hellma Analytics (hellma-analytics.com) | 101-10-20 | |
| 光谱荧光仪 FP-6500(含软件) | Jasco (jasco.de) | FP-6500 | |
| SDS上样缓冲液 Roti-Load | ROTH (carlroth.com) | K929.1 | |
| n-辛基 β-D-葡萄糖吡喃糖苷 | ANATRACE (anatrace.com) | O311 | |
| 单半乳糖基二酰基甘油(MGDG) | Larodan AB (larodan.com) | 59-1300 | 用氯仿配制储备液 |
| 二半乳糖基二酰基甘油(DGDG) | Larodan AB (larodan.com) | 59-1310 | 用氯仿配制储备液 |
| 磺基醌甘油二酯(SQDG) | Larodan AB (larodan.com) | 59-1230 | 用氯仿配制储备液 |
| L-α-磷脂酰甘油(PG) | Larodan AB (larodan.com) | 37-0150 | 用氯仿配制储备液 |
| L-α磷脂酰胆碱 | Sigma-Aldrich(sigmaaldrich.com) | P3782 SIGMA | 用氯仿配制储备液 |
| 超声波清洗仪 S-50TH | Sonicor (getmedonline.com) | SONICOR-S-50TH | |
| mini-Extruder | 艾万迪极性脂质公司(Avanti.com) | 610000 | |
| 核孔聚碳酸酯膜 | Avanti Polar Lipids (Avanti.com) | 610005 | |
| 透析膜 Visking 14 kDa 截留分子量 | ROTH (carlroth.com) | 0653.1 | 使用前在蒸馏水中煮沸 |
| Biobeads SM2 吸附剂 | 伯乐(Bio-rad.com) | 152-3920 | |
| 蔗糖环氧氯丙烷共聚物 - Ficoll 400 | Sigma-Aldrich(sigmaaldrich.com) | F4375 | |
| 用于 TFT 80.4 的聚碳酸酯超速离心管(2.7 mL) | 贝拉诺克实验室äte(Laborgeraete-beranek.de) | 252150 | |
| 转子 TFT 80.4 | 默克密理博(merckmillipore.com) | 54356 | |
| 按出现顺序列出的材料 | 有关具体的安全说明,请参阅材料安全数据表及相关手册。 标准实验耗材和试剂未列出。 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。