登上《細(xì)胞》封面！我國成功破解這一世界性難題

RNA聚合酶被形象地稱為細(xì)胞里的CPU，調(diào)控著遺傳信息DNA轉(zhuǎn)錄為RNA的全過程。迄今，人類發(fā)現(xiàn)三域（細(xì)菌域、古生菌域、真核生物域）生物共有9類RNA聚合酶，其中結(jié)構(gòu)最大、最復(fù)雜的“葉綠體RNA聚合酶”一直未能被成功解析出來，是幾十年來科學(xué)界的一大待解之謎。如今，我國科學(xué)家成功解開了這一謎團(tuán)。3月1日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊 《細(xì)胞》（Cell）的封面是一張“葉綠體RNA聚合酶”的構(gòu)造圖，該期封面文章為“植物葉綠體編碼的RNA聚合酶冷凍電鏡結(jié)構(gòu)”，由中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團(tuán)隊和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲研究團(tuán)隊合作完成。該研究解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”。

國際頂刊《Cell》封面刊登該研究成果

張余研究員介紹，葉綠體中的光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為地球生命提供了能量和氧氣，是地球環(huán)境的重要塑造者。15億年前，原核藍(lán)細(xì)菌被真核細(xì)胞所吞并，最終演化為如今的植物葉綠體。在此過程中，藍(lán)細(xì)菌基因組基因不斷被轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉(zhuǎn)錄葉綠體基因組的機(jī)器卻一點都不簡單。它在原核藍(lán)細(xì)菌基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的基礎(chǔ)上，裝配了多個獨特的功能模塊，進(jìn)而其“身形”變?yōu)樵瓉淼?.5倍，其“裝配部件”數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?倍。然而這些模塊在原核藍(lán)細(xì)菌中卻基本沒有任何“原型”，大多數(shù)“借”于真核細(xì)胞。多年研究表明，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器控制葉綠體的發(fā)育過程以及成熟葉綠體的基因表達(dá)，在調(diào)控植物光合作用中發(fā)揮關(guān)鍵角色，但葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的構(gòu)造依然未知。

2016年，張余研究團(tuán)隊開始向這一世界難題發(fā)起挑戰(zhàn)。“葉綠體RNA聚合酶是植物細(xì)胞特有的CPU，調(diào)控著80%的葉綠體基因，負(fù)責(zé)葉綠體的發(fā)育和其功能發(fā)揮。如果能解析出葉綠體RNA聚合酶的構(gòu)造，無疑將打開葉綠體基因轉(zhuǎn)錄領(lǐng)域的大門?！睆堄鄮е鴮Υ笞匀坏暮闷婧团俑鶈柕椎木?，堅持了8年的探索。他說之所以能堅持下來，得益于分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心多年來營造的讓青年人才潛心啃硬骨頭的氛圍。

葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)機(jī)器構(gòu)造

研究團(tuán)隊首先利用葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)構(gòu)建了葉綠體轉(zhuǎn)基因煙草，隨后通過親和純化的方式獲得完整的葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)復(fù)合物，最終利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)成功解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造。與原核藍(lán)細(xì)菌基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器相比，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了催化模塊、支架模塊、保護(hù)模塊、RNA模塊和調(diào)控模塊等5個功能模塊，其中催化模塊由葉綠體基因組編碼，其蛋白亞基起源于藍(lán)細(xì)菌。其他模塊由細(xì)胞核基因組編碼，其大部分蛋白亞基起源于真核細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)翻譯后運輸至葉綠體完成組裝。這些原核和真核起源的蛋白亞基組成了目前已知最復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器。

藍(lán)細(xì)菌來源的催化模塊包含6個蛋白亞基，其位于復(fù)合物的核心層；支架模塊包含7個蛋白亞基，它們一方面穩(wěn)定催化模塊，另一方面提供其他模塊的結(jié)合位點；保護(hù)模塊包括2個亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受葉綠體中超氧化物的氧化攻擊；RNA模塊包括1個亞基，能夠序列特異性結(jié)合RNA，推測可能參與轉(zhuǎn)錄關(guān)聯(lián)的RNA加工過程； 調(diào)控模塊包括4個亞基，推測它們參與基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的活性調(diào)控。

張余研究員在實驗室查看樣品

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌認(rèn)為，在基礎(chǔ)研究層面，該研究為進(jìn)一步探索葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的工作模式、理解葉綠體的基因表達(dá)調(diào)控方式以及改造葉綠體基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)。該研究為光合作用系統(tǒng)基因表達(dá)水平的提高提供了新思路，有望找到提高植物光合作用的效率、增加碳匯。此外，在合成生物學(xué)應(yīng)用層面，該研究為植物葉綠體生物反應(yīng)器的效率提升提供了著手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物、和天然產(chǎn)物的生產(chǎn)。（文中圖片均為中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心提供）

來源：人民日報客戶端上海頻道