科學(xué)家成功解析葉綠體基因轉錄蛋白質(zhì)機器構造
葉綠體中的光合作用將光能轉化為化學(xué)能,吸收二氧化碳,釋放氧氣,是地球生物圈的重要塑造者。葉綠體約在15億年前通過(guò)藍藻內共生進(jìn)化而來(lái)。在進(jìn)化過(guò)程中,葉綠體基因要么被廢棄,要么逐漸轉移到細胞核染色體中,導致多數陸地植物葉綠體基因組只保留了110-130個(gè)基因。其中,大部分基因編碼基因轉錄、蛋白翻譯和光合作用組分。葉綠體基因組保存著(zhù)兩種類(lèi)型的RNA聚合酶,即細菌型質(zhì)體編碼的RNA聚合酶(PEP)和噬菌體型核編碼的RNA聚合酶(NEP)。
葉綠體PEP在原始質(zhì)體發(fā)育過(guò)程中起到重要作用,并作為主要的RNA聚合酶在成熟的葉綠體中轉錄80%的葉綠體基因。PEP核心(PEP core)保留了細菌RNA聚合酶類(lèi)型的結構,包括2個(gè)α亞基、1個(gè)β亞基、1個(gè)β'1亞基和1個(gè)β'2亞基,但不含ω亞基,整體分子量約為450 kDa。PEP的特點(diǎn)是若干細胞核編碼真核起源的PEP相關(guān)蛋白(PAPs)與PEP core緊密相互作用,并組裝成一個(gè)分子量約為1 MDa的超復合物。每個(gè)PAP突變表型與PEP core亞基突變體類(lèi)似,表現出白化/蒼白等葉綠體發(fā)育缺陷表型。盡管大量工作探究了葉綠體PEP的組成和功能,但真核起源的PAPs如何與和細菌起源的PEP core進(jìn)行復合物組裝,以及如何調控PEP的轉錄活性,這些問(wèn)題尚未得到解答。
3月1日,中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心張余團隊和華中農業(yè)大學(xué)周菲團隊合作,在《細胞》(Cell)上發(fā)表了題為Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase的封面研究論文。該團隊基于葉綠體轉化技術(shù),建立了煙草葉片中純化內源PEP的方法,解析了葉綠體RNA聚合酶PEP復合物和PEP轉錄延伸復合物的高分辨率冷凍電鏡結構,揭示了葉綠體基因轉錄機器的亞基組成、亞基組裝方式、特殊功能和功能適應性演化,并為進(jìn)一步探討葉綠體中轉錄調控的機制和功能奠定了結構基礎。
為了純化內源性煙草PEP超大復合物,該研究構建了轉基因葉煙草,在葉綠體基因組rpoC2基因的3'端插入了一個(gè)編碼串聯(lián)His-Flag標簽的DNA片段。進(jìn)一步,研究利用30-45的天轉基因煙草葉子,進(jìn)行親和、離子交換和分子排阻層析等步驟純化,最終得到高純度的PEP超大復合物,且具有轉錄催化活性。
PEP結構顯示PAP12的結合位置與藍藻RNA聚合酶的ω亞基相同,且一級序列和三維結構高度保守,表明PEP包含一個(gè)完整的細菌來(lái)源RNA聚合酶,構成了PEP的“催化模塊”。此外,15個(gè)真核起源的PAPs結合在PEP core外圍,組成不同的功能模塊,包括“支架模塊”、“保護模塊”、“RNA模塊”和“調控模塊”。這是目前已知最復雜的基因轉錄機器?!爸Ъ苣K”由七個(gè)亞基(PAP1、PAP3、PAP5、PAP7、PAP8、PAP11和PAP14)組成?!爸Ъ苣K”與PEP的相互作用界面較大,約占的PEP core表面一半以上,并與PEP core形成多個(gè)亞基間結構域,不僅穩定“催化模塊”而且為其他模塊提供結合支架?!氨Wo模塊”由Fe-SOD異源二聚體組成,包含PAP4和PAP9兩個(gè)亞基(又稱(chēng)FSD3和FSD2)?!氨Wo模塊”通過(guò)超氧化物歧化酶功能,保護PEP免受葉綠體中超氧化物攻擊?!癛NA模塊”由單個(gè)亞基PAP2組成,結合在RNA合成通道外圍,以序列特異性的方式結合RNA,參與并協(xié)助RNA轉錄后加工?!罢{控模塊”由四個(gè)亞基PAP6、PAP13和兩個(gè)PAP10(又稱(chēng)FLN1、FLN2和Trx z)組成,參與保護“催化模塊”α亞基的C端結構域,可能參與調控PEP的轉錄活性。這些功能模塊均由細胞核基因組編碼,在細胞質(zhì)中被翻譯后轉運到葉綠體與PEP的催化模塊形成復合物,實(shí)現細胞核對葉綠體基因表達的控制。
該研究對PEP-PAP蛋白亞基進(jìn)化分析發(fā)現,葉綠體基因轉錄機器PEP-PAP的演化時(shí)間與植物登陸時(shí)間基本一致,以及陸生植物葉綠體基因轉錄機器通過(guò)招募這些額外的亞基,演化出獨特的功能和調控機制,幫助其適應陸地環(huán)境和特殊的生命周期。
在基礎研究層面,該成果為進(jìn)一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、探索葉綠體的基因表達調控方式以及改造葉綠體基因表達調控網(wǎng)絡(luò )打下了基礎。在合成生物學(xué)應用層面,該研究為提升植物葉綠體生物反應器的效率提供了著(zhù)手點(diǎn),有望助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產(chǎn)物的生產(chǎn)。在“雙碳”目標下,該工作為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路,將助力植物高效碳匯。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(B類(lèi))和上海市基礎研究特區計劃的支持。
葉綠體基因轉錄蛋白質(zhì)機器構造
《細胞》封面