創造新的記錄！西湖大學1天2篇Cell

　　葉綠體蛋白在ATP酶馬達的驅動下，通過葉綠體外膜(TOC)轉座子和葉綠體內膜(TIC)超復合體的轉座子導入。Ycf2-FtsHi復合體已被確定為葉綠體進口馬達。然而，其在前蛋白轉運過程中與TIC復合物的組裝和合作尚不清楚。

　　2024年8月27日，西湖大學閆湞團隊在Cell 在線發表題為“Structural insights into the chloroplast protein import in land plants”的研究論文，該研究展示了擬南芥Ycf2-FtsHi和TIC配合物的結構，以及Pisum在它們之間形成的超配合物。Ycf2FtsHi結構揭示了具有特征的異六聚AAA+ atp酶馬達模塊。Ycf2-FtsHi的四種先前未被表征的成分被鑒定出來，它們有助于以相對于膜的傾斜角度組裝和錨定馬達模塊。將TIC復合物和TIC-Ycf2-FtsHi超復合物的結構結合起來考慮，Ycf2-FtsHi的傾斜馬達模塊使其能夠與TIC復合物緊密接觸，從而促進高效的前蛋白易位。該研究為陸地植物葉綠體蛋白質輸入過程提供了有價值的結構見解。

　　此外，2024年8月27日，西湖大學閆湞團隊在Cell在線發表題為“Conservation and specialization of the Ycf2-FtsHi chloroplast protein import motor in green algae”的研究論文，該研究從Chlamydomonas reinhardtii中分離并確定了天然Ycf2-FtsHi復合物的冷凍電鏡(cryo-EM)結構，發現了一個由多達19個亞基組成的復合物，包括多個綠藻特異性成分。異六聚體AAA+ ATP酶馬達模塊是傾斜的，潛在地促進了內葉綠體膜(TIC)復合體上轉運子的前蛋白切換。前蛋白與Ycf2-FtsHi相互作用，增強其ATP酶活性。在葉綠體外膜(TOC)-TIC超復合體結構中整合Ycf2-FtsHi和易位子，揭示了它們在蛋白前體易位過程中的物理和功能相互作用。通過將這些發現與陸地植物的結果進行比較，該研究為了解葉綠體蛋白質輸入馬達的組裝、功能、進化保護和多樣性奠定了結構基礎。

　　葉綠體是植物細胞的基本細胞器，是維持地球生命的光合作用的主要場所。盡管葉綠體有自己的基因組，但其大部分蛋白質在細胞核中編碼，并在細胞質中作為前蛋白合成。這些前蛋白隨后通過葉綠體的外包膜(OEM)和內包膜(IEM)運輸。轉座子機制，即葉綠體外膜轉座子(TOC)和葉綠體內膜轉座子(TIC)復合體，為前蛋白易位提供了途徑，而ATP水解產生的能量是這一過程所必需的。ATPase輸入馬達被認為提供來自基質側的拉力來驅動前蛋白的易位，這對葉綠體的發育和生物發生至關重要。

　　盡管葉綠體輸入馬達的基本作用，其分子組成和作用方式仍然是難以捉摸的。對輸入馬達提出了兩種可能的方式。其中之一暗示了三種基質伴侶ATP酶(Hsp93、cpHsp70和Hsp90C)的參與。最近提出的另一種模型表明，2-MD Ycf2-FtsHi異質復合物作為輸入馬達。雖然Hsp93/cpHsp70/Hsp90C主要與由Tic110和tic40組成的經典TIC模型相關聯，但Ycf2-FtsHi復合物與包含Tic20, Tic56, Tic100和Tic214/Ycf1的TIC復合物合作，這兩種輸入馬達是否兼容仍有待研究。

機理模式圖（圖源自Cell）

　　最近的研究表明，在衣藻(CrTOCTIC)的TOC-TIC超復合物結構中存在Tic20、Tic56、Tic100和Tic214。與分離的TOC-TIC超復合物樣品一起，Ycf2(在衣藻中也稱為Orf2971)和FtsHi蛋白的幾個同源組分被共同純化并通過質譜(MS)檢測，表明在綠藻物種中存在與TOC-TIC超復合物相關的同源Ycf2-FtsHi復合物。此外，在高等植物物種中的其他共免疫沉淀數據也表明Ycf2FtsHi復合物與Ycf1/Tic214之間存在直接關聯，這些數據支持Ycf2-FtsHi復合物作為不同物種的輸入動力的作用。

　　缺乏Ycf2-FtsHi復合物的結構信息極大地阻礙了對這一重要運動復合物的分子細節的全面理解。此外，盡管人們認為Ycf2-FtsHi復合物和含有Ycf1/ Tic214的TIC復合物在易位前蛋白存在的情況下形成了一個易位中間超復合物，但缺乏這種超復合物存在的直接結構證據，而且這兩個復合物之間直接關聯的潛在機制仍不清楚。先前對CrTOC-TIC的結構研究沒有觀察到超配合物的形成，這表明兩個配合物之間的相互作用可能是短暫的和動態的。另一方面，CrTOC-TIC的結構揭示了綠藻物種特有的幾種TOC和TIC組分的存在，表明不同物種之間TOC和TIC復合物的組成多樣性。陸生植物中TOC和TIC復合物的詳細組成和結構組裝還有待研究

　　在該研究中，作者從擬南芥中純化了原生Ycf2-FtsHi復合物和TIC復合物(以下分別稱為AtYcf2-FtsHi和AtTIC)，并確定了它們的高分辨率冷凍電鏡結構。此外，還以中等分辨率確定了從Pisum sativum中分離的易位中間超復合物(稱為PsTIC-Ycf2-FtsHi)的冷凍電鏡結構。總之，這些結構為這兩個復合物之間的合作提供了令人信服的證據，并為陸地植物葉綠體前蛋白的轉運機制提供了有價值的見解。

　　這兩項工作主要由西湖大學博士生梁珂，西湖實驗室開拓學者金澤宇，西湖大學副研究員占謝超、博士生李譽鑫、博士生許祺奎、博士生楊怡、科研助理謝艷秋等成員共同完成。西湖大學特聘研究員閆湞為通訊作者。西湖大學的質譜平臺、冷凍電鏡平臺以及高性能計算中心為研究提供了技術支持。研究經費由國家自然科學基金委、西湖大學和西湖實驗室資助。