Nature：我国科学家领衔揭示叶绿体TOC-TIC超级复合物的三维结构

藻类和植物的叶绿体是通过光合作用将太阳能转换成化学能的细胞引擎。这种细胞器由两层膜包裹，含有自己的基因组，其表达与细胞核基因组的表达紧密协调。大多数叶绿体蛋白是由细胞核基因编码的，在细胞质中翻译成前体蛋白，这些前体蛋白的氨基末端有一种转运序列，作为进入叶绿体的入场券。

蛋白进入叶绿体是由它的外膜和内膜中的两种膜蛋白复合物介导的，这两种复合物分别称为TOC（Translocon on the Outer Chloroplast membrane，叶绿体外膜转运子）和TIC（Translocon on the Inner Chloroplast membrane，叶绿体内膜转运子）。这两种复合物在叶绿体的生物发生、光合器组装和多种代谢途径中起着关键作用。TOC和TIC的不同蛋白亚基已被鉴定和表征，TOC和TIC已被发现共同形成一种超级复合物。然而，TOC和TIC的不同蛋白如何组装在一起而形成跨越叶绿体包膜的蛋白转运通道还不清楚，而且TOC和TIC内部的蛋白转运途径仍然难以理解。

在一项新的研究中，中国科学院生物物理研究所柳振峰（Zhenfeng Liu）课题组与瑞士日内瓦大学Jean-David Rochaix教授及其团队对一种名为莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的单细胞绿藻的TOC-TIC超级复合物的分子成分、三维结构和潜在的蛋白转位途径提供了期待已久的见解。相关研究结果于2023年1月26日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex”。

这些作者通过低温电镜阐明了TOC-TIC超级复合物的超分子结构。在这种超级复合物中发现了13种不同的蛋白亚基。除了由叶绿体基因组编码的Tic214外，所有其他的蛋白亚基都是由细胞核编码的。它们被组装成外膜TOC复合物、膜间空间复合物（intermembrane space complex, ISC）和内膜TIC复合物。值得注意的是，他们发现最大的膜蛋白Tic214横跨内膜、膜间空间和外膜，像桥梁一样将其他蛋白亚基连接起来，很可能还充当支架。

外膜中的TOC复合物主要由Toc34、Toc90和Toc75组成，Toc90一侧为Ctap4-Ctap3复合物。外膜上的Toc90和Toc75形成一种杂合桶状通道。这种杂合桶状通道包含一个位于细胞质一侧的入口和两个向膜间空间开放的出口，以及一个面向脂质双层的侧门。植酸（也称为六磷酸肌醇，简称InsP6）分子插在Toc90和Tic214之间的界面上，像一个楔子一样稳定它们的组装。

Tic214、Tic100、Tic56、Ctap3和Ctap5的膜间空间结构域相互交织，形成一种将TOC和TIC连接在一起的塔状结构。在内膜中，Tic214、Tic20、Ctap5和三个小亚基（命名为Simp1、Simp2和Simp3）的膜嵌合结构域形成TIC复合物。四种脂质分子的作用是稳定一种位于Tic214和Tic20界面上的漏斗状通道的组装，并防止该漏斗状通道泄漏。

基于这些结构数据，这些作者详细分析了TOC和TIC中这些通道内部孔隙的特征。他们能够通过分子动力学模拟预测线粒体转运肽和TIC复合物之间的相互作用。

在观察到两个由表面沟槽连接的通道孔隙以及之前的生化和功能报告的支持下，这些作者提出了多种途径来解释不同的蛋白前体通过TOC-TIC超级复合物转移到不同的局部叶绿体区室。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hao Liu et al. Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05744-y.