叶绿体是植物进行光合作用的主要场所，也是植物生长发育所必需的细胞器之一，许多重要的合成代谢过程，例如：维生素的产生、脂肪酸及氨基酸的生物合成等都在叶绿体中进行。叶绿体是半自主性细胞器，绝大多数的叶绿体蛋白是由核基因编码，在细胞质中合成为前体蛋白再定向输送到叶绿体。而叶绿体外被膜转运因子 (TOC) 和内被膜转运因子 (TIC) 负责将这些蛋白前体进行转运，若TOC和TIC蛋白复合物存在缺陷，则不能定向转运给光合系统行使其功能所需的蛋白 【1】 。
蛋白酶体是真核生物细胞中负责蛋白质降解的主要分子机器，其调控蛋白的转换从而调控着细胞器的生物合成及其功能。叶绿体蛋白前体从胞质中转运的过程处于蛋白酶体复合物的环境中，因而叶绿体前体蛋白的转运和蛋白酶体降解之间在胞质中形成一种平衡 【2】 。叶绿体膜上的转运因子蛋白若存在缺陷时会导致胞质中质体前体蛋白的积累，这些蛋白前体就会通过泛素-蛋白酶体系统 (Ubiquitin Proteasome System, UPS) 降解，因而质体前体蛋白的逆行信号与它们通过泛素-蛋白酶体系统介导的前体清除之间存在调控关系。
德国Martin-Luther-University Halle-Wittenberg的Sacha Baginsky实验室主要通过系统生物学和蛋白组学的手段长期致力于质体蛋白转运机制的研究，以及叶绿体蛋白功能和激酶的蛋白组学、质体磷酸化蛋白网络等方面的研究。 近日，该研究团队在Nature Communications期刊在线发表题为 Mild proteasomal stress improves photosynthetic performance in Arabidopsis chloroplasts 的研究论文，揭示了拟南芥细胞质中蛋白酶体的轻度损伤能够明显提高叶绿体蛋白前体的丰度，并且能够显著增加蛋白转运缺陷的叶绿体中功能性光合蛋白复合物的积累，从而促进叶绿体的光合性能。
该团队之前的研究发现，拟南芥叶绿体外被膜转运因子Toc159缺陷型质体突变体ppi2中，质体前体蛋白在胞质中会大量积累 【3,4】 。由于前体蛋白在细胞质中会通过泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 进行清除，因此在本研究中他们分析了蛋白酶体损伤对于质体蛋白前体稳定性和质体蛋白组装的影响。
26S蛋白酶体主要由两部分组成：具有催化活性的20S核心蛋白酶体 (CP) 和具有调控功能的19S调节颗粒 (RP) 。19S调节颗粒由负责底物识别与结合的唇部 (lid) 和负责将蛋白转运到催化中心的基部 (base) 组成 【2】 。该研究中，作者首先筛选了不同的蛋白酶体缺陷型突变体的表型，其中包括蛋白酶体调节颗粒lid缺陷型突变体rpn8a及其旁系同源基因突变体rpn8b、蛋白酶体催化颗粒突变体rap1，以及叶绿体外被膜转运因子TOC33缺陷型突变体ppi1的抑制子——Sp1 (Suppressor of ppi1 locus 1，被鉴定为一种E3泛素连接酶) 【5】 ，结果发现以上突变体与野生型材料没有明显的差别。
接着研究人员将以上单突材料与Toc159缺陷突变体ppi2进行杂交，通过对这一系列以ppi2为背景的双突遗传材料进行表型观察和光合色素含量的分析，结果发现双突材料的光合色素形成和生长明显受到抑制。通过比较不同的双突材料的光合色素含量发现，rpn8a ppi2和pad1 ppi2两种材料相对于ppi2其叶绿素a、叶绿素b及胡萝卜素的含量显著提高。然后，作者通过透射电镜观察分析这两种双突材料类囊体膜结构，结果发现rpn8a ppi2类囊体膜堆积相比于ppi2突变体有显著的增高。
随后研究人员对rpn8a，ppi2和rpn8a ppi2突变体材料进行了叶绿素荧光参数的测量、光合蛋白丰度的Western blot检测，以及蛋白组定量质谱分析等一系列研究，结果表明蛋白酶体调节颗粒lid突变体rpn8a能够显著提高叶绿体外被膜Toc159缺陷型突变ppi2的光合特性，并且rpn8a突变会改变蛋白酶体复合物的组分。
叶绿素荧光参数测量分析不同突变体材料的光合特征
总而言之，该研究表明轻度的蛋白酶体损伤会通过影响胞质中质体前体蛋白的周转，从而导致胞质中质体蛋白前体库的增多并且提高了叶绿体蛋白的转运，进而提高叶绿体转运缺陷材料的光合特性。该研究暗示在自然条件下，光合器官的装配会受到蛋白酶体活性的限制，因此胞质中质体蛋白前体的周转可作为一种类囊体膜组装和光合电子传递的限制性机制。该研究深化了人们对于泛素-蛋白酶体系统调控叶绿体蛋白转运和生物合成过程的理解。
参考文献：
[1] Jarvis, P. & Lopez-Juez, E. Biogenesis and homeostasis of chloroplasts and other plastids. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 14, 787–802 (2013).
[2] Marshall, R. S. & Vierstra, R. D. Dynamic regulation of the 26S proteasome: from synthesis to degradation. Front. Mol. Biosci. 6, 40 (2019).
[3] Shanmugabalaji, V. et al. Chloroplast biogenesis controlled by DELLATOC159 interaction in early plant development. Curr. Biol. 28, 2616–2623 (2018).
[4] Grimmer, J., Rodiger, A., Hoehenwarter, W., Helm, S. & Baginsky, S. The RNA-binding protein RNP29 is an unusual Toc159 transport substrate. Front. Plant Sci. 5, 258 (2014).
[5] Ling, Q., Huang, W., Baldwin, A. & Jarvis, P. Chloroplast biogenesis is regulated by direct action of the ubiquitin-proteasome system. Science 338, 655–659 (2012).
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