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光系统Ⅰ(photosystemⅠ，PSⅠ)是位于光合生物（高等植物、藻类等）类囊体膜上催化光驱动的跨膜电子传递反应的色素-蛋白复合体，它利用光能催化囊腔侧的质体蓝素（或细胞色素c）的氧化和基质侧铁氧化还原蛋白的还原，被称作自然界中最高效的光能捕获和能量转化装置。真核生物PSⅠ由核心复合体(PSⅠcore complex)和外周捕光色素蛋白复合体(light-harvesting complex I，LHCI)组成。 红藻Cyanidioschyzon merolae是最原始的真核放氧光合生物，其光合特性介于原核的蓝细菌和真核生物之间。开展红藻PSⅠ-LHCI的结构与功能研究对于了解光合生物进化的多样性、阐明PSⅠ-LHCI的高效能量传递方式将有重要的意义。在本文中，我们首先分离制备了红藻Cyanidioschyzon merolae的PSⅠ-LHCI超分子复合物以及PSⅠ核心复合物和捕光天线复合物，并通过生化方法对其亚基组成，寡聚体状态、光谱特点和色素组成等进行了鉴定。其次，我们利用冷冻透射电子显微镜(Cryo-EM)技术对其结构进行了研究，三维重构分辨率达到3.63(A)。主要研究结果如下: 1)红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物的分离纯化及其生化性质研究 首先，我们通过阴离子交换柱和蔗糖密度梯度离心获得了高纯度的PSⅠ-LHCI样品。分子筛结果显示红藻PSⅠ-LHCI以单体的形式存在，分子量为580kDa。蓝绿胶非变性电泳分析表明分析纯化得到的红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物在蓝绿胶电泳中呈现两条带，分别与类囊体膜中的两条PSⅠ-LHCI带对应，由此推测红藻细胞中可能存在两种类型的PSⅠ-LHCI超分子复合物。利用质谱技术鉴定到11个核心复合物亚基(PsaA、PsaB、PsaC、PsaD、PsaE、PsaF、PsaI、PsaJ、PsaK、PsaL、PsaO)和3个天线复合物亚基(CMQ142C、CMN234C和CMN235C)，说明至少有3个LHCI蛋白与红藻的PSⅠ核心复合物相连。 与高等植物相比，红藻PSⅠ核心复合物中缺少高等植物具有的PsaG亚基，因而，如果红藻PSⅠ捕光天线复合物中只有3个LHCI蛋白，则可能缺失了高等植物中与PsaG蛋白相连的Lhca1亚基。 2)红藻PSⅠ核心复合物和天线复合物的分离纯化及其生化鉴定 在制备PSⅠ-LHCI超分子复合物的基础上，通过利用去垢剂增溶PSⅠ-LHCI超分子复合物，并进一步经过蔗糖密度梯度离心，分离制备到PSⅠ核心复合物和LHCI复合物。首先，利用质谱在PSⅠ核心复合物中鉴定到9个核心亚基(PsaA、PsaB、PsaC、PsaD、PsaE、PsaF、PsaI、PsaK和PsaL)，没有鉴定到PsaJ、PsaM和PsaO。与PSⅠ-LHCI超分子复合物相比，缺少PsaJ和PsaO这两个亚基，说明PsaJ和PsaO亚基与PSⅠ核心复合物的结合能力比较弱。其次，在分离的LHCI中，质谱鉴定到3个天线亚基CMQ142C，CMN234C和CMN235C，还鉴定到核心亚基PsaF、PsaL、PsaK和PsaO。SDS-PAGE显示，PsaF亚基在LHCI的电泳条带中非常明显，表明大部分PsaF亚基从核心中分离下来。 3)红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物的色素组成特点 利用HPLC对红藻PSⅠ-LHCI进行色素分析，结果表明红藻PSⅠ-LHCI含有大量的玉米黄质(Zeaxanthin，Zea)，这些玉米黄质主要是位于LHCI复合物中，而在PSⅠ核心复合物中玉米黄质的含量很小。红藻LHCI蛋白中类胡萝卜素的组成特点说明玉米黄质可能在红藻的PSⅠ-LHCI超分子复合物中具有重要的捕光和光保护作用。 4)红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物的三维电镜结构 通过冷冻电镜技术获得了红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物3.63(A)分辨率结构。结构显示，红藻PSⅠ-LHCI超分子复合物以单体形式存在。在电镜中能够观测到两种类型的PSⅠ-LHCI超分子复合物结构:结构Ⅰ含有12个核心亚基(PsaA、PsaB、PsaC、PsaD、PsaE、PsaF、PsaI、PsaJ、PsaK、PsaL、PsaM和PsaO)，和3个外周天线亚基(Lhcr1、Lhcr2、Lhcr3)。3个外周天线亚基位于PsaF/J一侧，虽然缺少高等植物中的Lhca1亚基，但与高等植物PSⅠ-LHCI超分子复合物结构相似。因此，结构Ⅰ可能是现在高等植物PSⅠ-LHCI的原始类型。结构Ⅱ含有12个核心亚基，5个外周捕光天线亚基(Lhcr1、Lhcr2、Lhcr3、Lhcr4、Lhcr5)。5个外周天线分成两簇，一簇天线(含有3个蛋白亚基，Lhcr1、Lhcr2和Lhcr3)位于PsaF/J一侧，另一簇天线(含有2个蛋白亚基，Lhcr4和Lhcr5)位于PsaI/M一侧。PsaI/M一侧的天线在光合生物PSI-LHCI中是首次发现的。红藻作为最早出现外周天线的光合生物，PSI-LHCI中有两簇天线分别排布于PSI核心的两侧，说明天线复合物与核心复合物之间存在两种不同的能量传递方式，与高等植物中天线复合物与核心复合物之间的能量传递方式明显不同。以上分析说明光合生物进化初期，LHCI首先尝试着在PSI核心周围排布，直到进化成高等植物中所有LHCI位于PSⅠ核心的一侧。因此，结构Ⅱ可能是光合生物进化初期PSⅠ-LHCI的一个过渡类型。 由于红藻的两种PSⅠ-LHCI结构差别仅仅在于2条LHCI(Lhcr4，Lhcr5)，其它天线蛋白和核心复合物以及辅因子完全相同，因此，我们以结构Ⅱ作为分析对象。在结构Ⅱ中，每个PSⅠ-LHCI含有12个核心亚基，5个外周捕光天线，48个跨膜螺旋，155个叶绿素分子，46个类胡萝卜素，3个铁硫簇，2个质体醌，3个1，2-棕榈酰磷脂酰甘油(DPPG)，1个双半乳糖甘油二酯(DGDG)。 本结构还首次鉴定到PsaO亚基，位于PsaL/A/K一侧，含有两个跨膜螺旋，3个叶绿素分子。在红藻结构中不仅存在原核生物的PsaM亚基，还鉴定到真核生物中普遍存在的PsaO亚基，说明红藻PSⅠ同时兼具原核与真核生物的一些光合特性，并且我们通过对红藻PsaF和PsaL核心亚基的结构分析与比较，也证实了蓝细菌PSⅠ与红藻、高等植物PSⅠ结构上的共性与差别。因此，本课题开展的红藻PSⅠ-LHCI的结构与功能研究不仅为光合生物从原核向真核生物的进化过程提供了重要的结构依据，而且丰富了对生物进化初期PSⅠ的结构认识。