两篇Cell | 西湖大学闫浈团队揭秘叶绿体蛋白转运动力机制与进化多样性

2024年8月27日，西湖大学闫浈团队Cell上连发两篇论文，深入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。值得一提的是，这是继2022年闫浈团队在Cell上发表论文，破解叶绿体蛋白转运体的奥秘之后，该团队取得的又一重要进展。

如果要问地球上最重要的化学反应是什么，你首先想到的答案一定是光合作用。光合作用时刻影响着我们所呼吸的空气、获取的营养，乃至全球气候的调节。围绕着光合作用的研究，已经产生了7个诺贝尔奖。叶绿体，作为光合作用的“工厂”，其角色远不止于此，它还深度参与脂肪酸合成、氨基酸合成以及免疫反应等关键生理活动。这些生命过程的主力军，正是叶绿体中大约3000种蛋白质。值得注意的是，其中95%的蛋白质并非由叶绿体自身编码，而是由细胞核编码后，需转运至叶绿体方能发挥其功能。在细胞错综复杂的环境中，如何精准识别并成功转运叶绿体蛋白，显得尤为关键。蛋白质要跨过叶绿体的双层膜结构，需要经历什么？这一过程中的“门”——TOC-TIC复合体，正是解答这一问题的关键。这扇“门”长什么样？又是如何运作的？这一疑问在科学界悬而未决近四十年。直至2022年，闫浈团队通过内源性天然蛋白的分离技术，首次揭示了莱茵衣藻TOC-TIC复合物的精细结构，为这一长期争论的问题提供了明确的答案。

ATPase马达为叶绿体蛋白转运提供能量

那么下一个问题来了，这个门控系统的能源从哪里来？前体蛋白穿越TOC-TIC进入叶绿体的过程需要能量，这一能量由一套专门的动力系统通过ATP水解提供。那么，究竟是谁为蛋白质的转运过程注入动力？这一动力源，即“马达”，在科学界引发了广泛的争议，尽管提出了多种模型，但始终未能形成共识。基于文献线索，Ycf2-FtsHi复合体可能是这一关键马达的候选，然而，以Hsp93为核心的分子伴侣系统作为马达的理论呼声更高。对于这一至关重要的动力系统，科学界仍处于认知的迷雾中。为了解答这一难题，科学家们尝试了包括免疫共沉淀、交联质谱、遗传敲除等策略，但至今未能完全揭示马达的真面目。要确定谁是马达的金标准，便是找到能与转运系统TOC-TIC直接相互作用，共同协作的蛋白。

为了直接而有效地解决这一难题，闫浈团队构建了一套叶绿体蛋白转运实验系统。他们利用底物前体蛋白纯化出了整个转运系统及动力系统的中间态超级复合物。接下来，团队利用冷冻电镜技术，试图解析超级复合物的结构，以确认马达蛋白的身份。然而，实验并没有像预期那样顺利。尽管对样品进行了不断的优化并且收集了大量的数据，但所重构的图像分辨率有限，无法清晰地分辨出具体的蛋白。这是由于超级复合物本身的动态性，给数据处理带来了巨大的挑战。尽管如此，结合已有经验和结构预测信息，从模糊的电镜图像中，可以初步推测是TOC-TIC与Ycf2-FtsHi复合体共同组成了这一超级复合物。然而，受限于图像分辨率的不足，无法提供更为确切的结论。

叶绿体蛋白转运系统超级复合物的捕获

虽然这条路没有走通，闫浈团队另辟蹊径。尽管未能直接确定马达蛋白的身份，但模糊的图像却提供了宝贵的线索，指向Ycf2-FtsHi复合体作为潜在马达的可能性。他们转向模式植物拟南芥，为Ycf2-FtsHi复合体的组分添加亲和标签，随后成功纯化出内源性的Ycf2-FtsHi复合体。与之前庞大的超级复合物相比，这一复合体体积较小且稳定性更高。经过不懈努力与探索，闫浈团队最终解析了Ycf2-FtsHi复合体的高分辨率结构，鉴定了多达11个组分。

考虑到之前解析出的TOC-TIC复合体结构来自莱茵衣藻，与陆生植物存在差异，直接比对并不适宜。因此，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。这一结构不仅清晰地展现了陆生植物TIC复合体的组成与组装方式，还结合莱茵衣藻的结构，揭示了进化过程中的保守性和多样性，为理解叶绿体蛋白转运机制提供了更为全面的视角。

拟南芥Ycf2-FtsHi复合体（A）和TIC复合体(B)的高分辨率结构

在成功解析了拟南芥的Ycf2-FtsHi复合物与TIC复合物的高分辨率结构之后，迎来了最激动人心的时刻。当闫浈团队将这两个高分辨率结构与先前模糊的超级复合物图像进行拟合时，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”。长久以来的科学谜团终于被解开。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。

叶绿体蛋白转运系统，动力系统与超级复合体的结构拟合

故事到这里并没有结束。TOC-TIC的研究始于衣藻，也要回到这个起点，以完整揭示其奥秘。在衣藻的转运系统明晰之后，动力系统的研究也不能落下。闫浈团队持续深耕衣藻系统，通过序列比对，成功鉴定了Ycf2-FtsHi复合物组分的数个同源蛋白。运用基因编辑技术，在两个关键同源蛋白的基因中分别插入了亲和标签，以相互印证其功能。随后，通过对蛋白的纯化与结构解析，团队获得了高度一致的实验结果，从而彻底揭开了衣藻中的马达Ycf2-FtsHi复合物的神秘面纱。尤为值得一提的是，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，进一步深化了对其功能机制的理解。

此外，鉴于拟南芥系统中蛋白纯化产量过低，对后续生化实验造成了限制，而衣藻由于生长速度快，能够在较短时间内提供相对大量的蛋白，成为进行深入生化研究的理想选择。闫浈团队利用高纯度的Ycf2-FtsHi复合物蛋白开展ATPase活性实验，证实其拥有显著的ATP酶活性。有趣的是，这一活性在前体蛋白的参与下得到了进一步增强。从生化层面，这再次确证了Ycf2-FtsHi复合物作为叶绿体蛋白转运动力源的角色，与先前的结构分析结果相辅相成，共同构建起对这一复杂生物学过程的全面理解。

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 ）

为了深化对Ycf2-FtsHi复合体进化历程的理解，闫浈团队通过详尽的蛋白质序列分析，探索了其组分在各类光合生物中的分布。研究揭示，Ycf2-FtsHi的组分主要分布于绿色植物谱系。在绿藻和陆生植物谱系中，CrYcf2-FtsHi和AtYcf2-FtsHi的组分各自保守。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。因此，CrYcf2-FtsHi和AtYcf2-FtsHi分别体现了绿藻与陆生植物中Ycf2-FtsHi复合体的代表性形式。

Ycf2-FtsHi复合体组分的进化分析

掌握了叶绿体蛋白转运系统与动力系统的结构与运作机理，如同获得了开启叶绿体门控的密钥。这一突破意味着我们可能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。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。

据悉，这两项工作主要由西湖大学博士生梁珂、开拓学者金泽宇、博士生李誉鑫、副研究员占谢超、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。

闫浈团队简介

闫浈课题组综合运用生物化学、基因编辑、生物信息学、单颗粒冷冻电镜技术、人工智能建模、原位冷冻电子断层扫描等多元技术手段，致力于揭示重要蛋白复合物的工作机制，特别聚焦于叶绿体的发生、发育与稳态调节。课题组广泛招纳具有相关背景的研究系列人员、博士后、科研助理，同时接收本科或硕士起点的博士研究生，并热忱欢迎优秀的本科生加入，参与毕业设计项目。课题组将依据每位成员的专业背景和职业发展蓝图，定制个性化的培养方案，悉心培育未来的科研精英。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00894-8

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00893-6