科學家破解葉綠體“守門人”之謎

　　11月21日，西湖大學特聘研究員閆湞實驗室在《細胞》雜志發表研究論文，揭開了葉綠體蛋白轉運之謎——蛋白進入葉綠體需要經過TOC-TIC復合物，如同穿過“工廠大門”，他們首次解析了TOC-TIC復合物的完整清晰結構，讓人們第一次看到了“守門人”的樣子。

　　掃碼進車站、掃碼進公司、掃碼進學校……過去三年，掃碼進入公共區域是我們日常生活的一部分。如同平行宇宙，在葉綠體上也存在著驚人相似的場景。葉綠體作為光合作用重要場地，是一個“光能工廠”，有2000至3000種蛋白需要被識別然后進入葉綠體“工作”。那么，這扇“大門”長啥樣？又是如何運行的？業內爭論了近四十年。

　　此前，科學界已經知道葉綠體是雙膜結構，內膜上存在轉運因子TIC，外膜上存在轉運因子TOC，它們聯合形成一個超級復合物TOC-TIC，作為蛋白進入葉綠體的“大門”。雖然這個領域已經研究了近四十年，但是仍有很多核心問題尚未被解決。比如，TIC到底是由哪些組分組成？而TOC和TIC又是如何形成超級復合物來行使“大門”的功能？由于不知道TOC-TIC復合物的全貌，大家的研究就好像“盲人摸象”，各執一詞。

　　閆湞帶領的膜蛋白結構與功能實驗室利用生物化學和結構生物學的方法來揭示TOC-TIC復合物的組成、組裝和轉運機制。通過對前人研究成果的分析歸納，實驗室選擇了克萊因衣藻的TOC-TIC超級復合物為研究對象，在兩個已被確認并在不同物種中高度保守的TOC（Toc34）和TIC（Tic20）組分上分別加親和標簽進行純化。

　　可以通俗地理解為，實驗室設置了兩組實驗，一組通過前人已經確認的“象耳朵”來牽出完整的大象，一組通過“象尾巴”來牽出大象。也就是在特定的葉綠體樣本中，通過親和標簽把TOC-TIC復合物精確找到，并純化出來。思路看起來很簡單，但實驗過程需要克服非常多的困難，需要排除各種干擾因素，同時不能破壞TOC-TIC復合物的結構。令人激動的是，最終這兩種不同策略所純化出來的蛋白質組分完全一致，并且解析出來的電鏡結構也高度一致。此后的多重實驗也相繼驗證，TOC-TIC超級復合物終于被找到，并且被精確識別出來。

　　在閆湞實驗室的三維軟件里，葉綠體“大門”——TOC-TIC的立體結構呈現了出來。這個克萊因衣藻葉綠體上的TOC-TIC超級復合物，分辨率達到2.5?，清晰地展示了TOC-TIC各組分的高分辨結構與組裝模式。它一共包含14個組分，其中8個為之前已報道的組分，6個為功能未知的新組分。結合前人理論，在雙層的葉綠體膜上，這個重要的通道如同檢查健康碼的守門人一樣，讓蛋白帶著轉運信號肽一個個“掃碼”入場。比如能否讓“大門”提高效率加速放行？能否讓“守門人”為 “特種工人”放行？能否以“守門人”為模板再人造出形形色色的“守門人”？

　　一位審稿人評價說：該研究用純化并解析結構這個“終極手段”解決了光合物種葉綠體生物學的一個核心問題，為增進理解和認識藻類、植物葉綠體如何發展進化邁出了一大步。因為葉綠體生物學對食品安全與氣候變遷的潛在影響，以及對蛋白如何轉運這種問題的基礎性，該研究也為其他非特定領域的科學家們帶來了非常有價值的信息。