Cell：揭示植物叶绿体编码的RNA聚合酶的三维结构

在一项新的研究中，来自英国约翰内斯中心的研究人员使用了一种名为低温电镜（cryo-EM）的方法来探索光合作用蛋白如何产生，从而在原子水平上发现了光合作用的秘密。他们提供了一种模型和资源，可促进该领域的进一步基础发现，并有助于实现开发抗逆性更强的作物的长期目标。他们的发现为了解十多亿年前让地球绿化的植物超能力提供了重要的新线索。相关研究结果发表在2024年2月29日的Cell期刊上，论文标题为“Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase”。

论文通讯作者、约翰内斯中心的Michael Webster博士说，“叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，光合蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程，在分子水平上的细节，能让人们开发出光合作用更强的植物。这项新研究最重要的成果是构建了一个有用的资源。科学家们可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并利用它提出说明它可能如何发挥作用的假设，以及检验这些假设的实验策略。”

光合作用是在叶绿体内进行的，叶绿体是植物细胞内的小区室，含有自己的基因组，这反映了它们在被植物吞噬和合并之前作为自由生活的光合细菌的过去。

Webster团队研究植物如何制造光合蛋白，这些分子机器使这一优雅的化学反应得以实现，将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产物。蛋白生产的第一阶段是转录，通过读取基因产生“信使 RNA（mRNA）”。这一转录过程由一种名为 RNA 聚合酶的酶完成。

50 年前，人们发现叶绿体中含有自己独特的 RNA 聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌 RNA 聚合酶有更多的亚基，甚至比人类的 RNA 聚合酶还要大。

Webster团队希望了解为什么叶绿体有如此复杂的 RNA 聚合酶。为此，他们需要将叶绿体 RNA 聚合酶的结构构造进行可视化观察。他们使用一种称为低温电镜（cryo-EM）的方法，对从白芥菜植物中纯化的叶绿体 RNA 聚合酶样本进行成像。通过处理这些图像，他们构建了一种包含这种分子复合物中 5 万多个原子位置的模型。这种RNA 聚合酶复合物由细胞核基因组和叶绿体基因组编码的 21 个亚基组成。在转录过程中对这种结构进行仔细分析允许他们能够开始解释这些亚基的功能。

通过这种模型，他们确定了一种蛋白，他能够在 DNA 转录时与它相互作用，并将它引导到这种RNA 聚合酶的活性位点。另一个亚基可以与正在产生的 mRNA 相互作用，从而在 mRNA 转化为蛋白之前保护它使之不被降解。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.036

Webster博士说，“我们知道叶绿体RNA聚合酶的每种组分都起着至关重要的作用，因为缺少其中任何一种组分的植物都不能制造光合蛋白，因此也就不能变绿。我们正在仔细研究这种原子模型，以确定它的 21 个亚基中每个亚基的作用。”

论文共同第一作者Ángel Vergara-Cruces博士说，“如今我们有了一种结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究有助于深入了解叶绿体在植物生长、适应和应对环境条件中的作用。”

论文共同第一作者 Ishika Pramanick 博士说，“在这一非凡的研究工作历程中，有许多令人惊讶的时刻，从极具挑战性的蛋白纯化开始，到为这一巨大的蛋白复合物拍摄令人惊叹的低温电镜图像，再到最终看到我们的研究成果的印刷版本。”

Webster博士总结说，“高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。面对环境应激仍能可靠地产生光合蛋白的植物可能会以不同的方式控制叶绿体转录。我们期待着看到我们的研究用于开发更强健作物的重要工作中。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Ángel Vergara-Cruces et al. Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.036.

Advanced microscopy reveals proteins that power photosynthesis
https://phys.org/news/2024-03-advanced-microscopy-reveals-proteins-power.html