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科學家破解葉綠體“守門人”之謎
作者：溫才妃 張弛 來源：中國科學報
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11月21日，西湖大學特聘研究員閆湞實驗室在《細胞》雜志發(fā)表研究論文，揭開了葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運之謎——蛋白進入葉綠體需要經(jīng)過TOC-TIC復(fù)合物，如同穿過“工廠大門”，他們首次解析了TOC-TIC復(fù)合物的完整清晰結(jié)構(gòu)，讓人們第一次看到了“守門人”的樣子。
掃碼進車站、掃碼進公司、掃碼進學�！�…過去三年，掃碼進入公共區(qū)域是我們?nèi)粘Ｉ�活的一部分。如同平行宇宙，在葉綠體上也存在著驚人相似的場景。葉綠體作為光合作用重要場地，是一個“光能工廠”，有2000至3000種蛋白需要被識別然后進入葉綠體“工作”。那么，這扇“大門”長啥樣？又是如何運行的？業(yè)內(nèi)爭論了近四十年。
此前，科學界已經(jīng)知道葉綠體是雙膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜上存在轉(zhuǎn)運因子TIC，外膜上存在轉(zhuǎn)運因子TOC，它們聯(lián)合形成一個超級復(fù)合物TOC-TIC，作為蛋白進入葉綠體的“大門”。雖然這個領(lǐng)域已經(jīng)研究了近四十年，但是仍有很多核心問題尚未被解決。比如，TIC到底是由哪些組分組成？而TOC和TIC又是如何形成超級復(fù)合物來行使“大門”的功能？由于不知道TOC-TIC復(fù)合物的全貌，大家的研究就好像“盲人摸象”，各執(zhí)一詞。
閆湞帶領(lǐng)的膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能實驗室利用生物化學和結(jié)構(gòu)生物學的方法來揭示TOC-TIC復(fù)合物的組成、組裝和轉(zhuǎn)運機制。通過對前人研究成果的分析歸納，實驗室選擇了克萊因衣藻的TOC-TIC超級復(fù)合物為研究對象，在兩個已被確認并在不同物種中高度保守的TOC（Toc34）和TIC（Tic20）組分上分別加親和標簽進行純化。
可以通俗地理解為，實驗室設(shè)置了兩組實驗，一組通過前人已經(jīng)確認的“象耳朵”來牽出完整的大象，一組通過“象尾巴”來牽出大象。也就是在特定的葉綠體樣本中，通過親和標簽把TOC-TIC復(fù)合物精確找到，并純化出來。思路看起來很簡單，但實驗過程需要克服非常多的困難，需要排除各種干擾因素，同時不能破壞TOC-TIC復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。令人激動的是，最終這兩種不同策略所純化出來的蛋白質(zhì)組分完全一致，并且解析出來的電鏡結(jié)構(gòu)也高度一致。此后的多重實驗也相繼驗證，TOC-TIC超級復(fù)合物終于被找到，并且被精確識別出來。
在閆湞實驗室的三維軟件里，葉綠體“大門”——TOC-TIC的立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了出來。這個克萊因衣藻葉綠體上的TOC-TIC超級復(fù)合物，分辨率達到2.5?，清晰地展示了TOC-TIC各組分的高分辨結(jié)構(gòu)與組裝模式。它一共包含14個組分，其中8個為之前已報道的組分，6個為功能未知的新組分。結(jié)合前人理論，在雙層的葉綠體膜上，這個重要的通道如同檢查健康碼的守門人一樣，讓蛋白帶著轉(zhuǎn)運信號肽一個個“掃碼”入場。比如能否讓“大門”提高效率加速放行？能否讓“守門人”為 “特種工人”放行？能否以“守門人”為模板再人造出形形色色的“守門人”？
一位審稿人評價說：該研究用純化并解析結(jié)構(gòu)這個“終極手段”解決了光合物種葉綠體生物學的一個核心問題，為增進理解和認識藻類、植物葉綠體如何發(fā)展進化邁出了一大步。因為葉綠體生物學對食品安全與氣候變遷的潛在影響，以及對蛋白如何轉(zhuǎn)運這種問題的基礎(chǔ)性，該研究也為其他非特定領(lǐng)域的科學家們帶來了非常有價值的信息。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.030