科研人员解析出叶绿体基因转录蛋白质机器构造

叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，为地球生命提供了能量和氧气，是地球环境的塑造者。1.5亿年前，原核蓝细菌被真核细胞吞并，演化为如今的植物叶绿体。在这一过程中，蓝细菌基因组基因不断被转移至细胞核，最终形成“小而精”的叶绿体基因组。而转录叶绿体基因组的蛋白质机器却不简单。它在原核蓝细菌基因转录蛋白质机器的基础上，装配了多个独特的功能模块，进而，其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。然而，这些模块在原核蓝细菌中却基本没有任何“原型”，多数“借”于真核细胞。有研究表明，叶绿体基因转录蛋白质机器控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达，在调控植物光合作用中发挥作用，但叶绿体基因转录蛋白质机器的构造依然未知。

3月1日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成的题为《植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜结构》（Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase）的研究论文，作为封面文章在线发表在《细胞》（Cell）上。该研究解析了叶绿体基因转录蛋白质机器的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录蛋白质机器的“装配部件”、“装配模式”和“功能模块”。

该研究利用叶绿体转化技术构建了叶绿体转基因烟草，进而通过亲和纯化的方式获得完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了叶绿体基因转录蛋白质机器构造。与原核蓝细菌基因转录蛋白质机器相比，叶绿体基因转录蛋白质机器共有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了5个功能模块即催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块。其中，催化模块由叶绿体基因组编码，其蛋白亚基起源于蓝细菌。其他模块由细胞核基因组编码，其大部分蛋白亚基起源于真核细胞，在细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装。这些原核和真核起源的蛋白亚基组成了目前已知最复杂的基因转录蛋白质机器。

蓝细菌来源的催化模块包含6个蛋白亚基，位于复合物的核心层； 支架模块包含7个蛋白亚基，稳定催化模块，并提供其他模块的结合位点；保护模块包括2个亚基，具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击；RNA模块包括1个亚基，能够序列特异性结合RNA，可能参与转录关联的RNA加工过程； 调控模块包括4个亚基，可能参与基因转录蛋白质机器的活性调控。

上述成果为进一步探索叶绿体基因转录蛋白质机器的工作模式、探讨叶绿体的基因表达调控方式、改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础，并为提高叶绿体光合作用效率开拓了新思路。

研究工作得到国家重点研究计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和上海市基础研究特区计划的支持。

叶绿体基因转录蛋白质机器构造