【Cell】西湖大学闫浈课题组首次解析叶绿体蛋白转运体的冷冻电子显微镜结构

2022年11月21日，西湖大学闫浈课题组在《Cell》在线发表了研究论文，揭开了叶绿体蛋白转运体之谜。蛋白进入叶绿体需要经过TOC-TIC复合物，同时，他们首次解析了TOC-TIC复合物的完整清晰结构。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01376-9

研究背景

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叶绿体是绿色植物和藻类等真核自养生物的细胞中进行光合作用的细胞器。针对叶绿体的研究对植物、农业、生态等多领域有着重要的影响。叶绿体以自身的遗传物质，逐渐转移到细胞核中，自身仅保留编码100多个蛋白的基因组。叶绿体作为光合作用重要场地，有2000至3000种蛋白需要被识别然后进入叶绿体“工作”。虽然这个领域已经研究了近四十年，但是仍有很多核心问题尚未被解决。比如，TIC到底是由哪些组分组成？而TOC和TIC又是如何形成超级复合物识别蛋白的？

研究过程

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西湖大学闫浈课题组尝试利用生物化学和结构生物学的方法来揭示TOC-TIC复合物的组成、组装和转运机制。通过对前人研究成果的分析归纳，实验室选择了克莱因衣藻的TOC-TIC超级复合物为研究对象，在两个已被确认并在不同物种中高度保守的TOC（Toc34）和TIC（Tic20）组分上分别加亲和标签进行纯化。

生化和质谱结果表明经过两种不同策略所纯化出的TOC-TIC超级复合物组分基本一致，并且经体外实验验证都具有结合底物前体蛋白的能力。课题组进一步解析了两种蛋白样品的单颗粒冷冻电镜高分辨率结构，结果也高度一致。以上实验证据共同确定了叶绿体蛋白转运超级复合物的组分。

此外，该研究报道了莱因衣藻TOC-TIC超复合物在2.5A˚的平均分辨率下的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构。这个克莱因衣藻叶绿体上的TOC-TIC超级复合物，分辨率达到2.5Å，清晰地展示了TOC-TIC各组分的高分辨结构与组装模式。它一共包含14个组分，其中8个为之前已报道的组分，6个为功能未知的新组分。

研究意义

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AlphaFold2的预测结构与它们的实际结构相差甚远。此外，结构中还发现了一个植酸（IP6）和多个植物脂类分子（MGDG）参与介导TOC-TIC的组装，可能对其功能具有重要的调控作用。这些全新的发现彰显了生物化学和结构生物学的魅力，是目前AI预测手段无法做到的。

这项工作研究的TOC-TIC复合物对叶绿体的生成以及稳态至关重要，理解清楚其结构和工作机理将为未来潜在的对叶绿体乃至光合生物的改造奠定重要基础。未来对来自其他植物有机体的TOC-TIC超复合体的结构研究，将能够更全面地比较物种间的异同，从而更好地理解叶绿体中这一基本蛋白质转运机制的进化。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01376-9

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。