细胞:西湖大学严阵研究组揭开叶绿体蛋白转运体之谜

来源：生物世界2022-11-25 12:08

生化和质谱结果表明，两种不同策略纯化的TOC-TIC超复合物成分基本相同，体外实验表明均具有结合底物前体蛋白的能力。研究小组通过单粒子冷冻显微镜进一步分析了这两个蛋白质样本的高分辨率结构。

光合作用是最重要的化学反应之一，为地球上几乎所有的生物提供了物质和能量的来源。光合作用维持了大气中氧气和二氧化碳的相对稳定，这是地球生命生存的关键。它是绿色植物和藻类等真核生物细胞中进行光合作用的细胞器。叶绿体的研究对植物、农业和生态学等许多领域都有重要影响。

根据内共生体理论，叶绿体起源于十亿年前的一次吞噬事件，一种蓝藻被原始真核细胞吞噬，逐渐进化成具有双层膜结构的胞内细胞器。叶绿体在进化过程中，自身的遗传物质逐渐转移到细胞核中，其基因组仅编码100多种蛋白质被保留下来。多达2000-3000个叶绿体蛋白由核基因编码，在细胞质中翻译成带有转运信号肽的前体蛋白，最终转运到叶绿体中发挥功能。那么前体蛋白是如何被识别并穿过叶绿体双层膜进入叶绿体的呢？

经过近40年的探索，研究人员认识到这一关键过程是由叶绿体外膜转运蛋白TOC和叶绿体内膜转运蛋白TIC完成的。TOC和TIC在叶绿体功能和体内平衡中起着重要作用，但人们对它们的了解仍然非常有限，仍有许多关键的科学问题没有解决。例如，TIC由哪些成分组成的核心问题在该领域已经争论了几十年。然而，TOC和TIC如何形成超复合物以发挥其功能尚不清楚。

为了回答上述问题，西湖大学严阵研究组试图用生物化学和结构生物学方法揭示TOC-TIC复合体的组成、组装和转运机制。在分析归纳前人研究成果的基础上，颜勉研究组选择了克莱恩衣藻的TOC-TIC超级复合体作为研究对象，对不同物种中两个已确认的高度保守的TOC(Toc34)和TIC(Tic20)组分添加亲和标签进行纯化。生化和质谱结果表明，两种不同策略纯化的TOC-TIC超复合物成分基本相同，体外实验表明均具有结合底物前体蛋白的能力。研究组进一步分析了两种蛋白质样品的单颗粒冷冻电镜高分辨结构，结果高度一致。上述实验证据共同确定了叶绿体蛋白质转运超复合体的组成成分，为平息该领域的争论提供了直接有力的证据。

这项名为“跨越两个叶绿体包膜的TOC-TIC超级复合体的结构”的研究发表在《细胞》杂志在线上，揭示了叶绿体蛋白质转运蛋白的奥秘。

该结构清楚地显示了两个去污剂盘的密度，揭示了叶绿体蛋白质转运复合体TOC-TIC穿过叶绿体双层膜的基本特征。所分析的TOC-TIC超复合物包含14个组分，其中8个是以前报道的组分，6个是功能未知的新组分。进一步的结构分析表明，该超复合物含有一个从TOC到TIC的亲水通道，这可能是前体蛋白转运的一个潜在途径。

交联质谱实验初步验证了结构模型。通过进化分析，研究组还推测了高等植物中一些潜在的TOC-TIC蛋白组分，其中一个Tic12是最近报道的拟南芥中一个新的TIC组分，与结构研究高度一致。因此，这项工作不仅揭示了藻类TOC-TIC超级复合体的结构，而且为了解其他含叶绿体物种TOC-TIC复合体的组成和组装提供了重要线索，并为进一步研究奠定了重要基础

本研究利用结构生物学方法首次看到了横跨双叶绿体膜的TOC-TIC超复合体的全貌，并对其组成成分进行了鉴定。一些组分，如Tic214和Tic100，在它们的单个结构中是相对无序和分散的，但它们相互缠绕和折叠在一起，形成非常稳定的复合物。

值得一提的是，AlphaFold2的预测结构与他们的实际结构相差甚远。此外，在该结构中发现一种植酸(IP6)和几种植物脂质分子(MGDG)介导TOC-TIC的组装，这可能在调节其功能中起重要作用。这些新发现凸显了生物化学和结构生物学的魅力，是目前AI预测方法无法企及的。

论文匿名审稿人评价：本研究通过纯化和结构分析的终极手段，解决了光合物种叶绿体生物学的一个核心问题。这项研究在提高对藻类和植物叶绿体如何发育和进化的理解和认识方面迈出了一大步。由于叶绿体生物学对食品安全和气候变化的潜在影响，以及蛋白质如何运输的基础，这项研究也为其他非特定领域的科学家带来了有价值的信息。

西湖大学著名研究员严阵是本论文的作者。西湖大学博士后金泽宇和西湖实验室开拓者万里是论文的合著者。西湖大学、李小波、董、北京生命科学研究院

、曹勇，清华大学潘俊敏、李学成等参与了课题合作。该项研究得到西湖大学冷冻电镜平台，西湖大学高性能计算平台，西湖大学质谱平台的大力支持。该工作获得了西湖大学、西湖实验室的经费支持。

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