研究發現葉綠體蛋白質傳送器的組裝原理

　　葉綠體是植物和藻類細胞中可以通過光合作用將光能轉化為化學能的細胞器。作為一種由兩層膜包被的特殊細胞器，葉綠體含有自身的基因組，且其表達是與核基因組的表達緊密協調的。葉綠體的蛋白質有兩種來源，有一小部分（50-200個）由葉綠體基因組編碼，而大多數的其他葉綠體蛋白質（2000-3000個）則由核基因編碼。核基因編碼的葉綠體蛋白前體（preprotein）是在細胞質中由80 S核糖體合成，其氨基端帶有一段轉運肽（transit peptide）。轉運肽具有類似進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外膜上的蛋白質轉運體復合物（“傳送器”）介導被運送到葉綠體中。位于葉綠體外膜上的蛋白轉運體被稱為TOC（Translocon on the Outer Chloroplast membrane），而位于內膜上的轉運體為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合體，可介導眾多不同葉綠體蛋白的跨膜轉運。它們對于葉綠體的生成、光合作用復合體的組裝以及各種代謝途徑的運轉起著關鍵作用。

　　在過去30年，組成TOC和TIC的不同蛋白亞基陸續被發現并得到鑒定和研究。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合體（TOC-TIC超復合體）。然而，TOC和TIC中各亞基之間如何組裝在一起形成運送蛋白質的孔道？二者之間如何進一步組裝形成跨越內外膜的超分子復合體，前體蛋白的運輸路徑位于傳送器的哪個部位？這一系列的關鍵科學問題有待進一步闡明。

　　1月26日，中國科學院生物物理研究所柳振峰課題組與瑞士日內瓦大學教授Jean-David Rochaix合作，在《自然》（Nature）上，在線發表了題為Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex的研究論文。

圖1.葉綠體TOC-TIC超復合體負責將胞質中合成的前體蛋白轉運進入葉綠體。超復合體中的不同蛋白質亞基以不同的彩色加以區分，灰色部分為內膜和外膜的一部分。背景的左上角為細胞核和內質網，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超分子復合體的冷凍電鏡結構（圖1），發現并定位組成該復合體的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復合物、膜間隙復合物（ISC）和位于內膜的TIC復合物。最大的一個膜蛋白Tic214跨越內膜、膜間隙和外膜，如同一座橋連接了位于內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復合物主要由Toc34、Toc90和Toc75共同形成，Ctap4-Ctap3復合物位于Toc90的側面。Toc90和Toc75蛋白在外膜上形成一種混合的β-桶狀結構，有一個朝向胞質側的入口和兩個朝向膜間隙開放的出口，且有一個面向膜內脂雙層的側向開口。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，起到穩定TOC復合物裝配的作用。膜間隙復合物主要包括Tic214、Tic100、Tic56、Ctap3和Ctap5，它們相互纏繞并形成梯形塔狀結構。位于內膜上的TIC復合物主要包括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界面的孔道中發現四個脂類分子，且它們具有穩定內膜復合物組裝和防止滲漏的作用。

圖2.TOC-TIC超復合體中各蛋白亞基的定位和組裝。

　　科研人員對TOC和TIC復合物中的孔道特征進行細致分析，并通過分子動力學模擬對轉運肽和TIC復合物的相互作用進行預測。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的表面溝槽連接。在綜合考慮此前生物化學和功能研究成果的基礎上，該團隊提出前體蛋白可通過TOC-TIC超復合體中的多個不同轉運途徑進行分選和進入葉綠體內部的不同微區。

　　研究工作得到國家自然科學基金國家杰出青年科學基金項目、中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家重點研發計劃的支持。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y