葉綠體是植物細(xì)胞中負(fù)責(zé)光合作用的重要細(xì)胞器。葉綠體內(nèi)部多數(shù)蛋白由核基因編碼并在細(xì)胞質(zhì)中合成。而核基因編碼的前體蛋白在穿過葉綠體表面的雙層被膜進(jìn)入葉綠體的過程中，依賴于前體蛋白轉(zhuǎn)運體系統(tǒng)。分別定位于葉綠體外被膜和內(nèi)被膜的TOC和TIC復(fù)合物共同組成TOC-TIC超復(fù)合體，負(fù)責(zé)介導(dǎo)多數(shù)前體蛋白從細(xì)胞質(zhì)到葉綠體內(nèi)部的輸送過程。同時，葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運系統(tǒng)包含一個馬達(dá)蛋白復(fù)合物機(jī)器。它在前體蛋白跨葉綠體被膜轉(zhuǎn)運的過程中發(fā)揮驅(qū)動作用。此前，有研究揭示了TOC-TIC超復(fù)合體的組成及轉(zhuǎn)運路徑，但該蛋白轉(zhuǎn)運系統(tǒng)如何利用ATP水解的能量來驅(qū)動前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運過程尚不清楚。同時，關(guān)于馬達(dá)蛋白復(fù)合物的具體組成、結(jié)構(gòu)以及前體蛋白的轉(zhuǎn)運機(jī)理等知之甚少。

11月7日，中國科學(xué)院生物物理研究所李梅團(tuán)隊和植物研究所楊文強(qiáng)團(tuán)隊，在《分子植物》（Molecular Plant）上發(fā)表了題為Architecture of the ATP-driven motor for protein import into chloroplasts的研究論文。該研究通過解析萊茵衣藻葉綠體的馬達(dá)蛋白——Orf2971-FtsHi復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了該復(fù)合物高度復(fù)雜的蛋白組成和裝配細(xì)節(jié)，探討了前體蛋白的可能轉(zhuǎn)運路徑。

研究發(fā)現(xiàn)，Orf2971-FtsHi是由19個蛋白形成的一個20個亞基的復(fù)合物，橫跨葉綠體的內(nèi)膜，并向兩側(cè)凸出到葉綠體膜間隙以及基質(zhì)側(cè)。其中，Orf2971是一個由葉綠體質(zhì)體基因組編碼的蛋白，總分子量約為341 kDa，在進(jìn)化層面上起源于FtsH蛋白酶。而該蛋白在復(fù)合物中充當(dāng)支架，與另外19個蛋白亞基中的17個均有直接相互作用，對整個復(fù)合物的組裝和穩(wěn)定至關(guān)重要。同時，復(fù)合物的另外4個蛋白即Ctap1、Fhl1、Fhl2及Fhl3與FtsH蛋白酶同源。結(jié)構(gòu)顯示，這5個FtsH樣蛋白共同形成一個類似于雙層圓盤的異源六聚體結(jié)構(gòu)，通過水解消耗ATP分子為前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運提供拉力；其余14個蛋白亞基發(fā)揮幫助復(fù)合物組裝與穩(wěn)定以及參與前體蛋白的運輸及調(diào)節(jié)的作用。

該研究通過表面等離子共振技術(shù)及高斯加速分子動力學(xué)模擬證明了馬達(dá)蛋白復(fù)合物中的Tic22蛋白與TOC-TIC復(fù)合體中的Toc75蛋白直接相互作用，提出了兩種復(fù)合物的結(jié)合模型，為探討TOC-TIC復(fù)合體與馬達(dá)蛋白復(fù)合物彼此協(xié)調(diào)以共同完成前體蛋白轉(zhuǎn)運的過程和機(jī)制提供了重要信息。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員項目的支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺的協(xié)助。

論文鏈接

Orf2971-FtsHi馬達(dá)蛋白復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)