北京时间3月1日，国际学术期刊 《细胞》（Cell杂志）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我校周菲研究团队合作完成的题为“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的封面文章（图1）。研究团队基于叶绿体转化技术，成功建立了烟草叶片中纯化内源PEP的方法，解析了叶绿体RNA聚合酶PEP复合物和PEP转录延伸复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的亚基组成、亚基组装方式、特殊功能和功能适应性演化，为进一步研究叶绿体中转录调控的机制和功能提供了结构基础。
图1：文章封面。
叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，为地球生命提供了能量和氧气，是地球环境的重要塑造者。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。在此过程中，蓝细菌基因组基因不断被转移至细胞核，最终形成了“小而精”的叶绿体基因组，但是转录叶绿体基因组的机器却一点都不简单。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，进而其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。然而这些模块在原核蓝细菌中却基本没有任何“原型”，大多数“借”于真核细胞（图2）。多年研究表明，叶绿体基因转录机器控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达，在调控植物光合作用中发挥关键角色，但叶绿体基因转录机器的构造依然未知。
图2：叶绿体的进化
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（图3），最终利用单颗粒冷冻电镜技术成功解析了叶绿体基因转录机器构造（图4）。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。
图3：基于烟草叶绿体基因组，构建稳转遗传植株。
图4：叶绿体基因转录机器的三维结构。
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（图5）。
图5：叶绿体基因转录机器的构造。
在基础研究层面，该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，该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、和天然产物的生产。在“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标下，该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。
德国马普分子植物生理所F. Vanessa Loiacono博士和所长、德国科学院院士Ralph Bock在《细胞》杂志同期发表的Preview中对该研究成果进行了重点点评，认为该研究是细胞器转录领域的重大突破之一。
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，中国科学院分子植物科学卓越创新中心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。
