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葉綠體是植物和藻類細(xì)胞中可以通過光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的細(xì)胞器。作為一種由兩層膜包被的特殊細(xì)胞器，葉綠體含有自身的基因組，且其表達(dá)是與核基因組的表達(dá)緊密協(xié)調(diào)的。葉綠體的蛋白質(zhì)有兩種來源，有一小部分（50-200個）由葉綠體基因組編碼，而大多數(shù)的其他葉綠體蛋白質(zhì)（2000-3000個）則由核基因編碼。核基因編碼的葉綠體蛋白前體（preprotein）是在細(xì)胞質(zhì)中由80 S核糖體合成，其氨基端帶有一段轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transit peptide）。轉(zhuǎn)運(yùn)肽具有類似進(jìn)入葉綠體的入場券的作用。前體蛋白需要通過位于葉綠體內(nèi)外膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物（“傳送器”）介導(dǎo)被運(yùn)送到葉綠體中。位于葉綠體外膜上的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體被稱為TOC（Translocon on the Outer Chloroplast membrane），而位于內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體為TIC（Translocon on the Inner Chloroplast membrane）。TOC和TIC是由多個蛋白亞基組成的膜蛋白復(fù)合體，可介導(dǎo)眾多不同葉綠體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。它們對于葉綠體的生成、光合作用復(fù)合體的組裝以及各種代謝途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵作用。
在過去30年，組成TOC和TIC的不同蛋白亞基陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)并得到鑒定和研究。近年來的工作揭示了植物和綠藻葉綠體中存在一種由TOC和TIC共同組成的超分子復(fù)合體（TOC-TIC超復(fù)合體）。然而，TOC和TIC中各亞基之間如何組裝在一起形成運(yùn)送蛋白質(zhì)的孔道？二者之間如何進(jìn)一步組裝形成跨越內(nèi)外膜的超分子復(fù)合體，前體蛋白的運(yùn)輸路徑位于傳送器的哪個部位？這一系列的關(guān)鍵科學(xué)問題有待進(jìn)一步闡明。
1月26日，中國科學(xué)院生物物理研究所柳振峰課題組與瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授Jean-David Rochaix合作，在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex的研究論文。
圖1.葉綠體TOC-TIC超復(fù)合體負(fù)責(zé)將胞質(zhì)中合成的前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體。超復(fù)合體中的不同蛋白質(zhì)亞基以不同的彩色加以區(qū)分，灰色部分為內(nèi)膜和外膜的一部分。背景的左上角為細(xì)胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，右下角為葉綠體的一部分。
該研究通過解析萊茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii來源的TOC-TIC超分子復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1），發(fā)現(xiàn)并定位組成該復(fù)合體的13個不同蛋白亞基。除Tic214蛋白由葉綠體基因編碼外，其他蛋白均由核基因編碼。這些蛋白共同組成了位于外膜的TOC復(fù)合物、膜間隙復(fù)合物（ISC）和位于內(nèi)膜的TIC復(fù)合物。最大的一個膜蛋白Tic214跨越內(nèi)膜、膜間隙和外膜，如同一座橋連接了位于內(nèi)外膜和膜間隙的不同蛋白亞基，可能起到類似腳手架的作用（圖2）。位于外膜上的TOC復(fù)合物主要由Toc34、Toc90和Toc75共同形成，Ctap4-Ctap3復(fù)合物位于Toc90的側(cè)面。Toc90和Toc75蛋白在外膜上形成一種混合的β-桶狀結(jié)構(gòu)，有一個朝向胞質(zhì)側(cè)的入口和兩個朝向膜間隙開放的出口，且有一個面向膜內(nèi)脂雙層的側(cè)向開口。Toc90和Tic214相互作用的界面上存在一個六磷酸肌醇（也稱植酸，InsP6）分子，起到穩(wěn)定TOC復(fù)合物裝配的作用。膜間隙復(fù)合物主要包括Tic214、Tic100、Tic56、Ctap3和Ctap5，它們相互纏繞并形成梯形塔狀結(jié)構(gòu)。位于內(nèi)膜上的TIC復(fù)合物主要包括Tic214、Tic20、Ctap5，以及三個分別命名為Simp1、Simp2和Simp3的小亞基。研究在Tic214和Tic20界面的孔道中發(fā)現(xiàn)四個脂類分子，且它們具有穩(wěn)定內(nèi)膜復(fù)合物組裝和防止?jié)B漏的作用。
圖2.TOC-TIC超復(fù)合體中各蛋白亞基的定位和組裝。
科研人員對TOC和TIC復(fù)合物中的孔道特征進(jìn)行細(xì)致分析，并通過分子動力學(xué)模擬對轉(zhuǎn)運(yùn)肽和TIC復(fù)合物的相互作用進(jìn)行預(yù)測。此外，該研究觀察到分別位于TOC和TIC中的兩個孔道是由位于膜間隙區(qū)的表面溝槽連接。在綜合考慮此前生物化學(xué)和功能研究成果的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊提出前體蛋白可通過TOC-TIC超復(fù)合體中的多個不同轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)行分選和進(jìn)入葉綠體內(nèi)部的不同微區(qū)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金項目、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家重點研發(fā)計劃的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y
標(biāo)簽： 蛋白質(zhì)傳送
