研究揭示葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)與質(zhì)量控制的新機(jī)制

本文轉(zhuǎn)自：中科院之聲

葉綠體是光合作用的場(chǎng)所，也是重要的生物反應(yīng)器。作為半自主細(xì)胞器，葉綠體含有3000多個(gè)蛋白，其自身基因組僅編碼100個(gè)左右蛋白，其他蛋白由核基因組編碼并通過(guò)葉綠體被膜上的TOC和TIC復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)。大部分核基因編碼的前體蛋白以未折疊狀態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體，分子伴侶和蛋白酶組成的質(zhì)量控制系統(tǒng)可確保所有進(jìn)入葉綠體的多肽正確折疊或降解。然而，對(duì)于葉綠體內(nèi)膜TIC復(fù)合體的組分、馬達(dá)蛋白的組成以及從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入葉綠體的蛋白質(zhì)重新折疊過(guò)程方面，目前尚未達(dá)成共識(shí)。

近日，中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員楊文強(qiáng)研究組等從遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)層面開(kāi)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(zhuǎn)運(yùn)和質(zhì)量控制的重要分子機(jī)制。Orf2971不僅與葉綠體內(nèi)膜上的TIC復(fù)合體以及可能為蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量的FtsHi蛋白相互作用，還與基質(zhì)一側(cè)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(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)將未折疊的蛋白靶向給合適的分子伴侶。該蛋白含有兩個(gè)AAA

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ATPase結(jié)構(gòu)域，通過(guò)分析該結(jié)構(gòu)域的功能表明其可以水解ATP為蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量。遺傳分析表明該基因突變后無(wú)法產(chǎn)生同質(zhì)化的藻種，說(shuō)明該基因與其在植物的同源基因ycf2一樣，對(duì)細(xì)胞生存至關(guān)重要。為此，研究人員利用一種維生素可逆抑制的分子開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，在遺傳改造后的藻種中添加維生素來(lái)抑制orf2971的表達(dá)，導(dǎo)致光合作用受損、葉綠素含量下降、葉綠體發(fā)育異常，最終引起死亡。同時(shí)，隨著Orf2971蛋白表達(dá)量的減少，細(xì)胞核和葉綠體基因組編碼的光合作用、轉(zhuǎn)錄、翻譯和轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體相關(guān)的蛋白含量均呈下降趨勢(shì)，葉綠體蛋白發(fā)生凝聚和不正常的降解，細(xì)胞和葉綠體的質(zhì)量控制系統(tǒng)及其自噬被誘導(dǎo)，核基因編碼的前體蛋白積累過(guò)多，表明Orf2971對(duì)維持葉綠體的質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)的重要性。為進(jìn)一步證明其參與蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，研究人員通過(guò)在核基因編碼的RBCS2上添加VENUS熒光標(biāo)簽，發(fā)現(xiàn)Orf2971缺失后RBCS2無(wú)法正常轉(zhuǎn)運(yùn)至葉綠體中的淀粉核。相關(guān)質(zhì)譜分析表明，含有轉(zhuǎn)運(yùn)肽的前體蛋白在Orf2971缺失后積累。該研究發(fā)現(xiàn)Orf2971蛋白是連接蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)與質(zhì)量控制過(guò)程中的關(guān)鍵蛋白，對(duì)于深入理解葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和質(zhì)量控制的作用機(jī)制具有重要意義。

研究成果在線發(fā)表于The Plant Cell。相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家青年人才計(jì)劃等的支持。

Orf2971參與葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和質(zhì)量控制調(diào)控的模型