科學家成功解析葉綠體基因轉錄蛋白質機器構造

葉綠體中的光合作用將光能轉化為化學能，吸收二氧化碳，釋放氧氣，是地球生物圈的重要塑造者。葉綠體約在15億年前通過藍藻內共生進化而來。在進化過程中，葉綠體基因要么被廢棄，要么逐漸轉移到細胞核染色體中，導致多數陸地植物葉綠體基因組只保留了110-130個基因。其中，大部分基因編碼基因轉錄、蛋白翻譯和光合作用組分。葉綠體基因組保存著兩種類型的RNA聚合酶，即細菌型質體編碼的RNA聚合酶（PEP）和噬菌體型核編碼的RNA聚合酶（NEP）。

葉綠體PEP在原始質體發育過程中起到重要作用，并作為主要的RNA聚合酶在成熟的葉綠體中轉錄80%的葉綠體基因。PEP核心（PEP core）保留了細菌RNA聚合酶類型的結構，包括2個α亞基、1個β亞基、1個β'1亞基和1個β'2亞基，但不含ω亞基，整體分子量約為450 kDa。PEP的特點是若干細胞核編碼真核起源的PEP相關蛋白（PAPs）與PEP core緊密相互作用，并組裝成一個分子量約為1 MDa的超復合物。每個PAP突變表型與PEP core亞基突變體類似，表現出白化/蒼白等葉綠體發育缺陷表型。盡管大量工作探究了葉綠體PEP的組成和功能，但真核起源的PAPs如何與和細菌起源的PEP core進行復合物組裝，以及如何調控PEP的轉錄活性，這些問題尚未得到解答。

3月1日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余團隊和華中農業大學周菲團隊合作，在《細胞》（Cell）上發表了題為Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase的封面研究論文。該團隊基于葉綠體轉化技術，建立了煙草葉片中純化內源PEP的方法，解析了葉綠體RNA聚合酶PEP復合物和PEP轉錄延伸復合物的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的亞基組成、亞基組裝方式、特殊功能和功能適應性演化，并為進一步探討葉綠體中轉錄調控的機制和功能奠定了結構基礎。

為了純化內源性煙草PEP超大復合物，該研究構建了轉基因葉煙草，在葉綠體基因組rpoC2基因的3'端插入了一個編碼串聯His-Flag標簽的DNA片段。進一步，研究利用30-45的天轉基因煙草葉子，進行親和、離子交換和分子排阻層析等步驟純化，最終得到高純度的PEP超大復合物，且具有轉錄催化活性。

PEP結構顯示PAP12的結合位置與藍藻RNA聚合酶的ω亞基相同，且一級序列和三維結構高度保守，表明PEP包含一個完整的細菌來源RNA聚合酶，構成了PEP的“催化模塊”。此外，15個真核起源的PAPs結合在PEP core外圍，組成不同的功能模塊，包括“支架模塊”、“保護模塊”、“RNA模塊”和“調控模塊”。這是目前已知最復雜的基因轉錄機器。“支架模塊”由七個亞基（PAP1、PAP3、PAP5、PAP7、PAP8、PAP11和PAP14）組成。“支架模塊”與PEP的相互作用界面較大，約占的PEP core表面一半以上，并與PEP core形成多個亞基間結構域，不僅穩定“催化模塊”而且為其他模塊提供結合支架。“保護模塊”由Fe-SOD異源二聚體組成，包含PAP4和PAP9兩個亞基（又稱FSD3和FSD2）。“保護模塊”通過超氧化物歧化酶功能，保護PEP免受葉綠體中超氧化物攻擊。“RNA模塊”由單個亞基PAP2組成，結合在RNA合成通道外圍，以序列特異性的方式結合RNA，參與并協助RNA轉錄后加工。“調控模塊”由四個亞基PAP6、PAP13和兩個PAP10（又稱FLN1、FLN2和Trx z）組成，參與保護“催化模塊”α亞基的C端結構域，可能參與調控PEP的轉錄活性。這些功能模塊均由細胞核基因組編碼，在細胞質中被翻譯后轉運到葉綠體與PEP的催化模塊形成復合物，實現細胞核對葉綠體基因表達的控制。

該研究對PEP-PAP蛋白亞基進化分析發現，葉綠體基因轉錄機器PEP-PAP的演化時間與植物登陸時間基本一致，以及陸生植物葉綠體基因轉錄機器通過招募這些額外的亞基，演化出獨特的功能和調控機制，幫助其適應陸地環境和特殊的生命周期。

在基礎研究層面，該成果為進一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、探索葉綠體的基因表達調控方式以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。在合成生物學應用層面，該研究為提升植物葉綠體生物反應器的效率提供了著手點，有望助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產物的生產。在“雙碳”目標下，該工作為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路，將助力植物高效碳匯。

研究工作得到國家重點研究計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）和上海市基礎研究特區計劃的支持。

葉綠體基因轉錄蛋白質機器構造

《細胞》封面