通过功能性蛋白-蛋白相互作用，Rubisco激活酶被隔离到富含Rubisco的pyrenoid凝聚体中

藻类如何打包它们的碳固定引擎

微小的藻类是地球上最重要的碳捕获者之一，从空气中提取二氧化碳并将其固定为有机物。在细胞内，这项工作由一种缓慢且挑剔的酶Rubisco承担。为了提高Rubisco的工作效率，许多藻类将其浓缩到一个称为pyrenoid的小型液滴状结构中。本研究提出了一个关键问题：当许多其他蛋白被排除在外时，一个关键的辅助蛋白Rubisco激活酶（Rca）如何找到并进入这个高度拥挤的液滴？

一个承担重大碳固定任务的小液滴

在绿藻如Chlamydomonas reinhardtii中，Rubisco被聚集到叶绿体内一个致密、类液体的簇中。这个簇或凝聚体类似于水中漂浮的油滴，但它由蛋白质而非脂类构成。构建该液滴的两位主要参与者是Rubisco自身和一种称为EPYC1的柔性连接蛋白，EPYC1可将多个Rubisco分子连接在一起。将Rubisco集中到靠近局部二氧化碳源的一处，pyrenoid使藻类即使在周围水体中二氧化碳稀缺时也能高效进行光合作用。

让合适的辅助者进入人群

Rubisco无法独立持续工作，因为它经常被糖类样分子堵塞。Rubisco激活酶（Rca）是一种环状的辅助蛋白，利用细胞燃料去除堵塞并恢复Rubisco的活性。研究者在试管中重建了Rubisco–EPYC1液滴并加入纯化的Rca以观察其是否会进入致密相。他们发现Rca强烈被人工pyrenoid吸引，无论是在显微镜下观察还是通过离心分析液滴物质均能检测到Rca的富集。Rca的进入依赖于蛋白带电区域之间的静电吸引，并在盐浓度升高时消失，这表明微妙的化学力决定了哪些蛋白可以进入。

内建于Rca的脆弱钥匙

团队随后着手找出Rca哪个部分充当了进入pyrenoid的“入场券”。包括本研究所用藻类版本在内的绿型Rca在一端带有一段柔软的尾部，称为N端结构域。通过剪切掉该尾部或仅改变一两个氨基酸，科学家们得到的Rca变体仍能水解ATP，但不再能恢复Rubisco活性。令人注目的是，这些微小变化也阻止了Rca加入Rubisco–EPYC1液滴。当仅将该尾部与无关的蓝色或黄色荧光蛋白融合时，原本留在外部的融合蛋白现在无论在试管中还是在活藻叶绿体内都能进入液滴。这表明该尾部包含能够附着于Rubisco和EPYC1的“贴片”基序，这些基序足以将其他蛋白引导进入pyrenoid。

精心挑选伙伴

研究者还比较了来自多种植物和细菌的Rca。大多数外源版本仅与EPYC1即可形成液滴，反映出EPYC1的柔性和较为不加选择的结合特性。然而，当加入Rubisco以构建更完整的类pyrenoid凝聚体时，只有能够与藻类Rubisco产生有效协同的Rca才会留在致密相中。不太兼容或无关的Rca大多被排除在外。这表明Rubisco和EPYC1构成的联合网络起到了过滤作用，偏好那些能建立正确功能性接触的辅助蛋白，同时排斥薄弱或不匹配的蛋白，就像人群只允许能与关键主人互动的人进入一样。

从粘性位点到更聪明的细胞器

通过将Rca的活性与其进入pyrenoid的能力联系起来，这项工作揭示了预先存在且具有功能重要性的蛋白–蛋白接触如何被重用来将蛋白分拣进细胞内的专门液滴。允许Rca修复Rubisco的同一分子“握手”也充当了其进入富含Rubisco隔室的通行证。由于这些相互作用极其精细，甚至单个化学变化即可破坏它们，细胞可能通过修饰特定氨基酸（例如通过磷酸化）来调控谁能进入pyrenoid。理解这些“贴片”基序将来可能帮助科学家将合成或外源蛋白定向导入工程化的类pyrenoid结构于农作物中，从而有望提高它们捕获二氧化碳的效率。

引用: How, J.B., Poh, C.W., Ng, Y.S. et al. Partitioning of Rubisco activase into the pyrenoidal Rubisco condensate is mediated by a functional protein-protein interaction. Nat Commun 17, 4309 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70724-5

关键词: pyrenoid, Rubisco激活酶, 生物分子凝聚体, 光合作用, 蛋白相互作用