ルビスコ蓄積因子1（Raf1）は、ルビスコの組み立てとカルボキシソームの生合成に重要な役割を果たしている

Rubisco accumulation factor 1 (Raf1) plays essential roles in mediating Rubisco assembly and carboxysome biogenesis.

• Fang Huang
• Wen-Wen Kong
• Yaqi Sun
• Taiyu Chen
• Gregory F Dykes
• Yong-Liang Jiang
• Lu-Ning Liu

抄録

カルボキシソームは、シアノバクテリアの炭素同化のための膜を持たない小器官である。カルボキシソームは、ウイルスのカプシドに似た構造をしたタンパク質性の殻と、光合成における主要な炭素固定酵素であるリブロース1,5-ビスフォスフェートカルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（ルビスコ）を含む内部酵素から構成されています。カルボキシソームの形成には、ルビスコの組み立てとパッケージングからシェルのカプセル化に至るまで、何千ものタンパク質サブユニットの階層的な自己組織化が必要である。本研究では、モデルシアノバクテリアであるPCC7942（Syn7942）におけるルビスコ組立とカルボキシソーム形成におけるルビスコ組立因子1（Raf1）の役割を研究している。Raf1はRbcLの二量体形成と二量体-二量体相互作用を仲介してルビスコの組み立てを促進していることが低温電子顕微鏡で明らかになった。Raf1を欠損したSyn7942細胞は、無傷のカルボキシソームを形成することができないが、ルビスコ、CcaA、CcmM、CcmNからなる中間集合体を多数生成し、シェルカプセル化されておらず、寸法が小さく、不規則なシェル形状と内部組織を持つカルボキシソーム様構造体を低頻度で生成している。その結果、Raf1欠損細胞はルビスコ含量、CO固定活性、細胞増殖が低下した。これらの結果は、シャペロンを介したルビスコの集合とカルボキシソームの生合成のメカニズムを解明するものである。このような生化学的に重要なオルガネラの生合成と段階的な形成過程の理解が進めば、光合成を向上させるための機能的なCO固定モジュールのヘテロジニアス工学の戦略につながる可能性がある。

Carboxysomes are membrane-free organelles for carbon assimilation in cyanobacteria. The carboxysome consists of a proteinaceous shell that structurally resembles virus capsids and internal enzymes including ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), the primary carbon-fixing enzyme in photosynthesis. The formation of carboxysomes requires hierarchical self-assembly of thousands of protein subunits, initiated from Rubisco assembly and packaging to shell encapsulation. Here we study the role of Rubisco assembly factor 1 (Raf1) in Rubisco assembly and carboxysome formation in a model cyanobacterium, PCC7942 (Syn7942). Cryo-electron microscopy reveals that Raf1 facilitates Rubisco assembly by mediating RbcL dimer formation and dimer-dimer interactions. Syn7942 cells lacking Raf1 are unable to form canonical intact carboxysomes but generate a large number of intermediate assemblies comprising Rubisco, CcaA, CcmM, and CcmN without shell encapsulation and a low abundance of carboxysome-like structures with reduced dimensions and irregular shell shapes and internal organization. As a consequence, the Raf1-depleted cells exhibit reduced Rubisco content, CO-fixing activity, and cell growth. Our results provide mechanistic insight into the chaperone-assisted Rubisco assembly and biogenesis of carboxysomes. Advanced understanding of the biogenesis and stepwise formation process of the biogeochemically important organelle may inform strategies for heterologous engineering of functional CO-fixing modules to improve photosynthesis.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.