坐穿冷板凳：叶绿体基因转录机器构造研究近8年

光合作用是叶绿体中一项重要的生化过程，将太阳能转化为化学能，为地球上各类生命提供了能量和氧气。如何提高叶绿体的光合作用效率是当前研究的一个热点问题。近期，上海的科学家们成功解析了叶绿体基因转录机器的构造，这项成果已发布在国际顶级学术期刊Cell的封面上。 据中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究员张余介绍，约15亿年前，原核蓝细菌被真核细胞所吞并，最终演化为如今的植物叶绿体。在这个过程中，原核蓝细菌基因组被转移至细胞核中，最终形成了精简且高效的叶绿体基因组。转录叶绿体基因组的机器却非常复杂，它在原核蓝细菌基因转录机器的基础上，装配了多个独特的功能模块，其大小和数量都发生了大幅变化。这些模块在原核蓝细菌中几乎没有任何“先例”，大部分都借鉴于真核细胞的机制。 多年的研究表明，叶绿体基因转录机器对于叶绿体的发育和成熟起着至关重要的作用。而叶绿体基因转录机器的构造一直是一个未解之谜。此次上海科学家们成功揭示了叶绿体基因转录机器的具体构造，在未来的研究中将为优化植物的光合作用提供有力的理论支持。

图片来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心

北京时间2024年3月1日，国际顶级学术期刊Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成的题为“植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜结构”（Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase）的封面文章。该研究解析了叶绿体基因转录机器的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的“装配部件”、“装配模式”、“功能模块”。

研究团队首先利用叶绿体转化技术构建了叶绿体转基因烟草，随后通过亲和纯化的方式获得完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，最终利用单颗粒冷冻电镜技术解析了叶绿体基因转录机器构造。

与原核蓝细菌基因转录机器相比，叶绿体基因转录机器一共具有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了5个功能模块（催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块）。催化模块由叶绿体基因组编码，其蛋白亚基起源于蓝细菌。其他模块由细胞核基因组编码，其大部分蛋白亚基起源于真核细胞，在细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装。这些原核和真核起源的蛋白亚基组成了目前已知最复杂的基因转录机器。

蓝细菌来源的催化模块包含6个蛋白亚基，其位于复合物的核心层；支架模块包含7个蛋白亚基，它们一方面稳定催化模块，另一方面提供其他模块的结合位点；保护模块包括2个亚基，它们具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击；RNA模块包括1个亚基，能够序列特异性结合RNA，推测可能参与转录关联的RNA加工过程；调控模块包括4个亚基，推测它们参与基因转录机器的活性调控。

在基础研究层面，本研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式，以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。

在合成生物学应用层面，本研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物、天然产物的生产。

在“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标下，本研究为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳汇。

这项令学术界为之振奋的研究成果来之不易。2016年，张余提交了这一研究方向，至今耗费了近8年的时间才终于“坐穿冷板凳”，突破重重难关，取得了学术突破。

“这得益于我们中心多年营造的让青年人才潜心啃硬骨头的氛围。”张余说，但研究过程中也遭遇了最大的阻碍，就是中心缺乏冷冻电镜装置，为了科学研究他们只能前往国家重大基础研究设施平台排队，甚至获得了兄弟院所的帮助，才能成功完成了相关工作。

张余（中）研究员与文章第一作者武霄仙（左）、穆文慧（右）合影。中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员武霄仙和河南大学联合培养硕士研究生穆文慧为该论文的共同第一作者，张余研究员和华中农业大学周菲副教授为共同通讯作者。该工作还得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心Chanhong Kim研究员的帮助。

记者也发现，此次张余带领的年轻研究员们是两个女生组成的攻坚队伍，其中第一作者武霄仙就曾向张余表示，“我就要做实验室最有挑战的课题。”张余说，很高兴看到年轻人能有这样的志气，并且取得了这样的收获。

本项目受到科技部重点研究计划、中国科学院先导科技专项（B类）项目和上海市基础研究特区计划的资助。

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