Bicarbonate transporters play essential roles in pH homeostasis in mammals and photosynthesis in aquatic photoautotrophs. A number of bicarbonate transporters have been characterized, among which is BicA-a low-affinity, high-flux SLC26-family bicarbonate transporter involved in cyanobacterial CO2-concentrating mechanisms (CCMs) that accumulate CO2 and improve photosynthetic carbon fixation. Here, we report the three-dimensional structure of BicA from Synechocystis sp. PCC6803. Crystal structures of the transmembrane domain (BicATM) and the cytoplasmic STAS domain (BicASTAS) of BicA were solved. BicATM was captured in an inward-facing HCO3--bound conformation and adopts a '7+7' fold monomer. HCO3- binds to a cytoplasm-facing hydrophilic pocket within the membrane. BicASTAS is assembled as a compact homodimer structure and is required for the dimerization of BicA. The dimeric structure of BicA was further analysed using cryo-electron microscopy and physiological analysis of the full-length BicA, and may represent the physiological unit of SLC26-family transporters. Comparing the BicATM structure with the outward-facing transmembrane domain structures of other bicarbonate transporters suggests an elevator transport mechanism that is applicable to the SLC26/4 family of sodium-dependent bicarbonate transporters. This study advances our knowledge of the structures and functions of cyanobacterial bicarbonate transporters, and will inform strategies for bioengineering functional BicA in heterologous organisms to increase assimilation of CO2.

中文翻译：

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蓝藻活性碳酸氢盐转运蛋白的结构机制。

碳酸氢盐转运蛋白在哺乳动物的 pH 稳态和水生光合自养生物的光合作用中发挥重要作用。已经表征了许多碳酸氢盐转运蛋白，其中 BicA 是一种低亲和力、高通量 SLC26 家族的碳酸氢盐转运蛋白，它参与了积累 CO2 并改善光合碳固定的蓝藻 CO2 浓缩机制 (CCM)。在这里，我们报告了来自 Synechocystis sp 的 BicA 的三维结构。PCC6803。解决了 BicA 的跨膜结构域 (BicATM) 和胞质 STAS 结构域 (BicASTAS) 的晶体结构。BicATM 以向内的 HCO3 结合构象捕获，并采用“7+7”折叠单体。HCO3- 与膜内面向细胞质的亲水袋结合。BicASTAS 组装为紧凑的同源二聚体结构，是 BicA 二聚化所必需的。使用低温电子显微镜和全长 BicA 的生理分析进一步分析了 BicA 的二聚体结构，可能代表 SLC26 家族转运蛋白的生理单位。将 BicATM 结构与其他碳酸氢盐转运蛋白的面向外的跨膜结构域结构进行比较，表明一种电梯转运机制适用于 SLC26/4 家族的钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白。这项研究提高了我们对蓝藻碳酸氢盐转运蛋白的结构和功能的认识，并将为异源生物中的生物工程功能性 BicA 增加对 CO2 的吸收的策略提供信息。使用低温电子显微镜和全长 BicA 的生理分析进一步分析了 BicA 的二聚体结构，可能代表 SLC26 家族转运蛋白的生理单位。将 BicATM 结构与其他碳酸氢盐转运蛋白的面向外的跨膜结构域结构进行比较，表明一种电梯转运机制适用于 SLC26/4 家族的钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白。这项研究提高了我们对蓝藻碳酸氢盐转运蛋白的结构和功能的认识，并将为异源生物中的生物工程功能性 BicA 增加对 CO2 的吸收的策略提供信息。使用低温电子显微镜和全长 BicA 的生理分析进一步分析了 BicA 的二聚体结构，可能代表 SLC26 家族转运蛋白的生理单位。将 BicATM 结构与其他碳酸氢盐转运蛋白的面向外的跨膜结构域结构进行比较，表明一种电梯转运机制适用于 SLC26/4 家族的钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白。这项研究提高了我们对蓝藻碳酸氢盐转运蛋白的结构和功能的认识，并将为异源生物中的生物工程功能性 BicA 增加对 CO2 的吸收的策略提供信息。将 BicATM 结构与其他碳酸氢盐转运蛋白的面向外的跨膜结构域结构进行比较，表明一种电梯转运机制适用于 SLC26/4 家族的钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白。这项研究提高了我们对蓝藻碳酸氢盐转运蛋白的结构和功能的认识，并将为异源生物中的生物工程功能性 BicA 增加对 CO2 的吸收的策略提供信息。将 BicATM 结构与其他碳酸氢盐转运蛋白的面向外的跨膜结构域结构进行比较，表明一种电梯转运机制适用于 SLC26/4 家族的钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白。这项研究提高了我们对蓝藻碳酸氢盐转运蛋白的结构和功能的认识，并将为异源生物中的生物工程功能性 BicA 增加对 CO2 的吸收的策略提供信息。