盧力媛 科技日?qǐng)?bào)記者 王春
植物進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器葉綠體能把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，把無機(jī)物變?yōu)橛袡C(jī)物，可以說它是世界上成本最低，創(chuàng)造財(cái)富最多的生物工廠?？茖W(xué)家們通過多年研究發(fā)現(xiàn)，葉綠體基因組編碼RNA聚合酶（PEP），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，然而這一葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的構(gòu)造一直未能破解，這是科學(xué)界公認(rèn)的世界性難題。
中國(guó)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(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲研究團(tuán)隊(duì)合作成功解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的結(jié)構(gòu)。3月1日，該成果以封面文章的形式在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。
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”，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)。
研究成果刊發(fā)的封面圖。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖
RNA聚合酶是細(xì)胞中的“CPU”，它們“讀取”細(xì)胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”。迄今為止，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)三域生物有9類基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器，其中8類的結(jié)構(gòu)機(jī)制都已被科學(xué)家們成功破解，PEP成為最后一塊未被解析的“CPU”拼圖。
植物葉綠體是在15億年前，由原核藍(lán)細(xì)菌被真核細(xì)胞所吞并演化而來，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(diǎn)都不簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)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。正因于此，PEP是目前已知最復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器。
2016年，張余在遞交中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心人員遴選申請(qǐng)書時(shí)，便向這個(gè)世界性難題發(fā)起挑戰(zhàn)。
為了解開PEP的真面目，張余研究團(tuán)隊(duì)和合作者，利用葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)，在煙草葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器上引入特征性的“捕獲標(biāo)簽”，通過純化煙草內(nèi)源的葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器，并通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，最終解開了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器的真面目。
張余（中）研究團(tuán)隊(duì)合影。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖
文章第一作者、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心副研究員武霄仙回憶：“葉綠體PEP在植物組織中的豐度極低，要提出足夠純的樣品，也極具挑戰(zhàn)。”為此，他們每半個(gè)月都要種200多棵煙草用于實(shí)驗(yàn)。
“當(dāng)我們看到葉綠體PEP復(fù)合物結(jié)構(gòu)時(shí)，為生命的神奇而驚嘆，也深深感受到科學(xué)研究的快樂?！睆堄嘟榻B，他們最終發(fā)現(xiàn)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(gè)“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個(gè)功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護(hù)模塊、RNA模塊和調(diào)控模塊）。
“葉綠體PEP通過演化出額外的亞基實(shí)現(xiàn)特異性的功能和更加復(fù)雜的調(diào)控。比如保護(hù)模塊包括2個(gè)亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，幫助葉綠體避免陸地強(qiáng)光照條件下光合作用產(chǎn)生的過量活性氧造成的損傷?！睆堄嘟榻B，經(jīng)過研究分析，他們發(fā)現(xiàn)葉綠體的PEP超大復(fù)合物進(jìn)化時(shí)間與植物登陸的時(shí)間相一致。
葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌表示，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(diǎn)，助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產(chǎn)物的生產(chǎn)。此外，還為光合作用系統(tǒng)基因表達(dá)水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳匯。
責(zé)任編輯： 王倩本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-2-3382-0.html破解世界性難題！我科學(xué)家成功解析葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機(jī)器構(gòu)造
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