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北京时间8月27日晚间，西湖大学、西湖实验室闫浈团队在Cell上连续发表了两篇关联论文，报道了在叶绿体蛋白转运的动力机制上取得的又一重大突破——他们揭示了叶绿体蛋白转运的动力机制及其进化多样性，为该领域的研究开辟了新的视野。

细胞器蛋白转运，一直是西湖大学生命科学学院PI闫浈所带领的膜蛋白结构与功能实验室主要的研究方向。它指的是蛋白质从合成地点到功能地点（即细胞器）的过程。细胞中的环境错综复杂，因此，如何精准识别并成功转运，尤为关键。

2022年，闫浈实验室揭示了叶绿体“大门”的样子，回答了在科学界悬而未决近四十年的疑问，这一成果被Cell收录。TOC-TIC，即由外膜转运子TOC和内膜转运子TIC共同组成的复合物，但一直不清楚这扇门的模样。闫浈团队通过内源性蛋白分离的技术，首次揭示了莱茵衣藻TOC-TIC复合物的组成及精细结构，为长期争论的问题提供了明确的答案：这是一个由14个组分构成的庞大的复合物。

但叶绿体前体蛋白并不能自己“行动”穿过作为大门的TOC-TIC，它需要一个动力来源，才能进入叶绿体。谁会是给它提供动力的那个“马达”呢？

图1 “马达”复合体为叶绿体蛋白转运提供能量

为了解答这一难题，闫浈团队从材料易得、生长快速的豌豆入手，“搭建”一套叶绿体蛋白转运实验系统，去观察转运过程中到底发生了什么。研究团队把一个转运“进行时”的瞬间从豌豆中“分离”了出来，试图看清到底谁在与TOC-TIC结合、在扮演“马达”。

接下来，他们利用冷冻电镜技术，试图解析这一超级复合物的结构，以确认马达蛋白的身份。然而，实验并不像预期那样顺利。从模糊的电镜图像中，闫浈团队初步推测，是TOC-TIC与Ycf2-FtsHi复合体共同组成了这一超级复合物。即，马达可能是Ycf2-FtsHi复合体。运用基因编辑技术以标签“牵”出复合物这一思路，闫浈实验室从拟南芥中纯化出内源性的Ycf2-FtsHi复合体，最终解析了Ycf2-FtsHi复合体的高分辨率结构，鉴定了多达11个组分。利用同样的思路，闫浈团队进一步解析了拟南芥内源性TIC复合体的高分辨率结构。

图5 拟南芥Ycf2-FtsHi复合体（A）和TIC复合体（B）的高分辨率结构

团队将这两个高分辨率结构与先前在豌豆中取得的模糊的超级复合物图像进行拟合，发现它们惊人地吻合。这一发现直接而有力地证实了Ycf2-FtsHi复合物正是叶绿体门控系统的能量驱动者，即“马达”。这一系列研究不仅证实了Ycf2-FtsHi复合物的角色，更系统地揭示了陆生植物中转运系统及动力系统的组成、组装方式、运作机制及其协同作用的奥秘，为深入理解叶绿体蛋白的跨膜转运提供了坚实的理论基础与结构依据。

图6 叶绿体蛋白转运系统、动力系统与超级复合体的结构拟合

闫浈团队决定继续乘胜追击，揭开了关于“马达”的更多真相。他们延续拟南芥的成功经验，选择了关键同源蛋白添加亲和标签，如法炮制获得Ycf2-FtsHi复合物，通过对蛋白的纯化与结构解析，彻底揭开了衣藻“马达”的神秘面纱。团队还成功捕捉到该复合物在ATP存在与不存在时的不同构象，并利用生化实验验证“马达”作为ATP酶的功能，深化了对“马达”功能机制的理解。

图8 莱茵衣藻Ycf2-FtsHi复合体的高分辨率结构（A）以及其在不同状态下的构象变化（B）和ATPase活性实验（C）

闫浈团队乘胜追击，揭开了关于“马达”的更多真相——延续拟南芥的成功经验，他们通过对蛋白的纯化与结构解析，彻底揭开了衣藻“马达”的神秘面纱。团队还成功捕捉到该复合物在ATP存在与不存在时的不同构象，并利用生化实验验证“马达”作为ATP酶的功能，深化了对“马达”功能机制的理解。通过详尽的蛋白质序列分析，探索了“马达”在各类光合生物中的“模样”。

研究揭示，Ycf2-FtsHi的组分主要分布于绿色植物谱系。莱茵衣藻“马达”和拟南芥“马达”作为两种代表性“马达”，分别在绿藻和陆生植物中保守。而这两大类马达之间的核心组分是保守的，但辅助亚基具有多样性。这表明，在绿色植物谱系分化为绿藻和陆生植物的漫长进化历程中，Ycf2-FtsHi复合体逐步整合了多样化的组分。

掌握了这些机理，如同获得了开启叶绿体门控的密钥，意味着将有望调控叶绿体大门的效率，使其加速通行，或调整其结构，仅允许特定蛋白通过，从而优化光合作用效率。至此，闫浈实验室以五年里三篇被Cell收录的研究论文，完整揭开了叶绿体蛋白转运中“大门”和“马达”的模样。

“若能运用这把密钥精细调控叶绿体门控，粮食作物的单位面积产量有望显著提升，同时植物的固碳能力也将大大增强。这一进展或许能助力解决粮食短缺难题，加速碳中和目标的实现，为地球的可持续未来铺平道路。”闫浈展望说。

这两项工作主要由西湖大学博士生梁珂，西湖实验室开拓学者金泽宇，西湖大学副研究员占谢超、博士生李誉鑫、博士生许祺奎、博士生杨怡、科研助理谢艳秋等成员共同完成。西湖大学特聘研究员闫浈为通讯作者。西湖大学的质谱平台、冷冻电镜平台以及高性能计算中心为研究提供了技术支持。研究经费由国家自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.003

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.002

文章来源：西湖大学

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