科學家揭示葉綠體蛋白“馬達”轉運機制

日前，西湖大學、西湖實驗室特聘研究員閆湞團隊在《細胞》上連續發表了兩篇關聯論文，報道了在葉綠體蛋白轉運的動力機制上取得的又一重大突破——揭示了葉綠體蛋白轉運的動力機制及其進化多樣性，為該領域的研究開辟了新視野。

模式植物擬南芥。課題組供圖

研究團隊揭示了一種被稱為“馬達”的蛋白復合體，該復合體能夠驅動葉綠體蛋白穿過葉綠體的“大門”，即TOC-TIC復合物。這一發現不僅解答了長期困擾科學界的難題，同時，閆湞表示：“如果能夠精細調控葉綠體門控，我們有望顯著提升糧食作物的單位面積產量，并增強植物的固碳能力，這對于應對全球氣候變化和糧食安全問題至關重要。”

葉綠體是植物細胞中進行光合作用的主要場所，每年通過光合作用合成的有機物量相當于人類年消耗量的十倍。為了完成這些復雜的化學反應，葉綠體需要從細胞質中吸收大量蛋白質。這些蛋白質在細胞質中合成后，需要借助特殊的轉運機制才能進入葉綠體內部。

研究團隊聚焦于這一轉運機制的核心——葉綠體蛋白的“馬達”。此前，雖然科學家們已經知道葉綠體表面存在一個由TOC-TIC復合物組成的“大門”，但對于驅動蛋白質穿越這扇門的動力來源一直不清楚。在2022年，該團隊就已經揭示了TOC-TIC復合物的精細結構，而現在他們又成功地確定了提供動力的“馬達”身份。

為了確定“馬達”的確切身份，研究團隊采用了一系列先進的技術和方法。他們首先在豌豆中構建了一個葉綠體蛋白轉運實驗系統，試圖捕捉到轉運過程中的中間狀態。接著，利用冷凍電鏡技術解析了這一超級復合物的結構，盡管分辨率有限，但初步推測出“馬達”的候選者是Ycf2-FtsHi復合體。

為了進一步驗證這一假設，研究團隊還利用了模式植物擬南芥。通過基因編輯技術在Ycf2-FtsHi復合體的關鍵組分上添加標簽，他們成功地從擬南芥中純化出了這一復合體，并解析了其高分辨率結構。隨后，他們將這一結構與之前獲得的模糊圖像進行比對，發現兩者驚人地吻合，證實了Ycf2-FtsHi復合體正是葉綠體蛋白轉運的“馬達”。

研究團隊還進一步探索了“馬達”在不同光合生物中的進化多樣性。他們發現Ycf2-FtsHi復合體在綠色植物譜系中高度保守，但在不同物種中存在一定的差異性。

有意思的是，在此次研究過程中，自誕生起就引發熱議的“網紅”AlphaFold也曾登場，擔任了“助手”一角。西湖大學博士生梁珂介紹道，AI雖然不能找出“馬達”，但在給“馬達”蛋白添加標簽時，他們需要判斷合適的添加位置，AlphaFold能通過輸入的氨基酸序列預測結構，極大輔助了位置的選擇。“大家曾經在爭論AlphaFold是不是會取代結構生物學，但其實并不是這樣，它是一個很好的研究工具。”

相關論文信息： https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.003