葉綠體中的光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為地球生命提供了能量和氧氣，是地球環(huán)境的重要塑造者。

如何能讓葉綠體“卷起來(lái)”，提高光合作用的效率？近日，上?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造，成果登上了國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Cell的封面。

Cell封面  本文圖片均為 中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖 

據(jù)中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員張余介紹，15億年前，原核藍(lán)細(xì)菌被真核細(xì)胞所吞并，最終演化為如今的植物葉綠體。在此過(guò)程中，藍(lán)細(xì)菌基因組基因不斷被轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉(zhuǎn)錄葉綠體基因組的機(jī)器一點(diǎn)都不簡(jiǎn)單。它在原核藍(lán)細(xì)菌基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的基礎(chǔ)上，裝配了多個(gè)獨(dú)特的功能模塊，進(jìn)而其“身形”變?yōu)樵瓉?lái)的2.5倍，其“裝配部件”數(shù)量變?yōu)樵瓉?lái)的3倍。然而這些模塊在原核藍(lán)細(xì)菌中卻基本沒(méi)有任何“原型”，大多數(shù)“借”于真核細(xì)胞。

多年研究表明，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器控制葉綠體的發(fā)育過(guò)程以及成熟葉綠體的基因表達(dá)，在調(diào)控植物光合作用中發(fā)揮關(guān)鍵角色，但葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的構(gòu)造依然未知。

葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)機(jī)器構(gòu)造。

北京時(shí)間2024年3月1日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Cell在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團(tuán)隊(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲研究團(tuán)隊(duì)合作完成的題為“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase（植物葉綠體編碼的RNA聚合酶冷凍電鏡結(jié)構(gòu)）”的封面文章，該研究解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的“裝配部件”、“裝配模式”、“功能模塊”。

研究團(tuán)隊(duì)首先利用葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)構(gòu)建了葉綠體轉(zhuǎn)基因煙草，隨后通過(guò)親和純化的方式獲得完整的葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)復(fù)合物，最終利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造。與原核藍(lán)細(xì)菌基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器相比，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器一共具有20個(gè)“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個(gè)功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護(hù)模塊、RNA模塊和調(diào)控模塊），催化模塊由葉綠體基因組編碼，其蛋白亞基起源于藍(lán)細(xì)菌。其他模塊由細(xì)胞核基因組編碼，其大部分蛋白亞基起源于真核細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)翻譯后運(yùn)輸至葉綠體完成組裝。這些原核和真核起源的蛋白亞基組成了目前已知最復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器。

藍(lán)細(xì)菌來(lái)源的催化模塊包含6個(gè)蛋白亞基，其位于復(fù)合物的核心層；支架模塊包含7個(gè)蛋白亞基，它們一方面穩(wěn)定催化模塊，另一方面提供其他模塊的結(jié)合位點(diǎn)；保護(hù)模塊包括2個(gè)亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受葉綠體中超氧化物的氧化攻擊；RNA模塊包括1個(gè)亞基，能夠序列特異性結(jié)合RNA，推測(cè)可能參與轉(zhuǎn)錄關(guān)聯(lián)的RNA加工過(guò)程；調(diào)控模塊包括4個(gè)亞基，推測(cè)它們參與基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的活性調(diào)控。

在基礎(chǔ)研究層面，本研究為進(jìn)一步探索葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的工作模式、理解葉綠體的基因表達(dá)調(diào)控方式，以及改造葉綠體基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)。

在合成生物學(xué)應(yīng)用層面，本研究為植物葉綠體生物反應(yīng)器的效率提升提供了著手點(diǎn)，助力重組疫苗、重組蛋白藥物、天然產(chǎn)物的生產(chǎn)。在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的雙碳目標(biāo)下，本研究為光合作用系統(tǒng)基因表達(dá)水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳匯。

這項(xiàng)令學(xué)術(shù)界為之振奮的研究成果來(lái)之不易。2016年，張余提交了這一研究方向，至今耗費(fèi)了近8年的時(shí)間才終于“坐穿冷板凳”，突破重重難關(guān)，取得了學(xué)術(shù)突破?！斑@得益于我們中心多年?duì)I造的讓青年人才潛心啃硬骨頭的氛圍?！睆堄嗾f(shuō)，但研究過(guò)程中也遭遇了最大的阻礙，就是中心缺乏冷凍電鏡裝置，為了科學(xué)研究他們只能前往國(guó)家重大基礎(chǔ)研究設(shè)施平臺(tái)排隊(duì)，甚至獲得了兄弟院所的幫助，才能成功完成了相關(guān)工作。

張余（中）研究員與文章第一作者武霄仙（左）、穆文慧（右）合影 

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心副研究員武霄仙和河南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生穆文慧為該論文的共同第一作者，張余研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲副教授為共同通訊作者。該工作還得到了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Chanhong Kim研究員的幫助。

記者也發(fā)現(xiàn)，此次張余帶領(lǐng)的年輕研究員們是兩個(gè)女生組成的攻堅(jiān)隊(duì)伍，其中第一作者武霄仙就曾向張余表示，“我就要做實(shí)驗(yàn)室最有挑戰(zhàn)的課題?！睆堄嗾f(shuō)，很高興看到年輕人能有這樣的志氣，并且取得了這樣的收獲。

本項(xiàng)目受到科技部重點(diǎn)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）項(xiàng)目和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃的資助。