研究團隊揭示葉綠體蛋白轉運與質量控制的新機制

　　葉綠體是光合作用的場所，也是重要的生物反應器。作為半自主細胞器，葉綠體含有3000多個蛋白，其自身基因組僅編碼100個左右蛋白，其他蛋白由核基因組編碼并通過葉綠體被膜上的TOC和TIC復合體轉運。大部分核基因編碼的前體蛋白以未折疊狀態進入轉運復合體，分子伴侶和蛋白酶組成的質量控制系統可確保所有進入葉綠體的多肽正確折疊或降解。然而，對于葉綠體內膜TIC復合體的組分、馬達蛋白的組成以及從細胞質進入葉綠體的蛋白質重新折疊過程方面，目前尚未達成共識。

　　近日，中國科學院植物研究所研究員楊文強研究組等從遺傳學、細胞生物學、蛋白質組學、生物化學和分子生物學層面開展研究，揭示了萊茵衣藻葉綠體基因組最大基因編碼的蛋白Orf2971參與蛋白轉運和質量控制的重要分子機制。Orf2971不僅與葉綠體內膜上的TIC復合體以及可能為蛋白轉運提供能量的FtsHi蛋白相互作用，還與基質一側的分子伴侶在相同的組分中，這表明該蛋白可能參與蛋白轉運，同時將未折疊的蛋白靶向給合適的分子伴侶。該蛋白含有兩個AAA+ ATPase結構域，通過分析該結構域的功能表明其可以水解ATP為蛋白轉運提供能量。遺傳分析表明該基因突變后無法產生同質化的藻種，說明該基因與其在植物的同源基因ycf2一樣，對細胞生存至關重要。為此，研究人員利用一種維生素可逆抑制的分子開關系統，在遺傳改造后的藻種中添加維生素來抑制orf2971的表達，導致光合作用受損、葉綠素含量下降、葉綠體發育異常，最終引起死亡。同時，隨著Orf2971蛋白表達量的減少，細胞核和葉綠體基因組編碼的光合作用、轉錄、翻譯和轉運復合體相關的蛋白含量均呈下降趨勢，葉綠體蛋白發生凝聚和不正常的降解，細胞和葉綠體的質量控制系統及其自噬被誘導，核基因編碼的前體蛋白積累過多，表明Orf2971對維持葉綠體的質量和穩態的重要性。為進一步證明其參與蛋白轉運，研究人員通過在核基因編碼的RBCS2上添加VENUS熒光標簽，發現Orf2971缺失后RBCS2無法正常轉運至葉綠體中的淀粉核。相關質譜分析表明，含有轉運肽的前體蛋白在Orf2971缺失后積累。該研究發現Orf2971蛋白是連接蛋白轉運與質量控制過程中的關鍵蛋白，對于深入理解葉綠體蛋白轉運和質量控制的作用機制具有重要意義。

　　研究成果在線發表于The Plant Cell。相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家青年人才計劃等的支持。

Orf2971參與葉綠體蛋白轉運和質量控制調控的模型