研究揭示葉綠體蛋白轉運馬達新功能

　　葉綠體是植物進行光合作用的細胞器。正常發育過程受到核基因組和葉綠體基因組在多個層次的協同調控。核質互作的分子機理是葉綠體生物發生的核心科學問題之一。光合膜蛋白復合體的反應中心亞基通常由葉綠體基因編碼，而外周蛋白和天線蛋白由核基因組編碼。這些核基因組編碼的葉綠體蛋白，在細胞質中合成，而后通過葉綠體被膜上的TOC-TIC蛋白轉運裝置運輸至葉綠體，同葉綠體基因組編碼的亞基組裝形成超級復合體。目前，葉綠體蛋白轉運裝置和基因表達裝置協同調控機制尚不清楚。

　　中國科學院植物研究所遲偉研究組以葉綠體蛋白轉運馬達FtsHi1為切入點，對上述問題開展了研究。該研究利用亞細胞定位分析和cpChIP等實驗手段，證明FtsHi1實際上是一個定位于葉綠體擬核的DNA/RNA結合蛋白。熒光標記實驗表明，FtsHi1在體外具有DNA/RNA解旋酶活性，可有效解開DNA-DNA和DNA-RNA雙鏈。研究發現，FtsHi1的DNA/RNA解旋酶活性與葉綠體內R-loop的清除有關，且該蛋白的突變會引起葉綠體R-loops過度累積。R-loops是含RNA-DNA雜合體的三鏈結構，在基因組復制、基因轉錄和基因組穩定性方面具有重要作用。進一步的研究顯示，在ftsHi1突變體中，R-loops的過度累積會降低葉綠體基因的復制和轉錄活性，但葉綠體基因組的完整性沒有受到影響。因此，FtsHi1可以作為一個DNA/RNA結合蛋白直接參與葉綠體基因表達過程，從而影響光合膜復合體中反應中心亞基的生成。同時，FtsHi1又可作為一個葉綠體蛋白轉運馬達分子，直接控制光合膜復合體中LHCII等天線蛋白的生物發生過程。FtsHi1蛋白的這種雙功能特性，在蛋白轉運和葉綠體基因表達之間建立了內在的分子關聯，可以精細調控核基因編碼蛋白和葉綠體基因編碼蛋白生物發生過程中分子劑量比，從而保證光合膜蛋白復合體中兩種類型亞基的高效組裝。上述研究為探討高等植物葉綠體基因表達、細胞器R-loop調控以及光合膜蛋白復合體組裝等科學問題提供了新見解。

　　相關研究成果在線發表在《新植物學家》（New Phytologist）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項和黃河三角洲農業高新技術產業示范區科技專項的支持。