Cell背靠背 | 封面！张余/周菲等团队合作揭示叶绿体基因转录的分子机制

2024-03-01

信使RNA

引言叶绿体是真核藻类和植物细胞质中负责光合作用的绿色质体。质体编码RNA聚合酶(PEP)在叶绿体原质体生物发生过程中起着重要作用，是成熟叶绿体中主要的RNA聚合酶。以PEP为中心的转录装置包括一个细菌来源的PEP核心和在细胞核中编码的十多个真核来源的PEP相关蛋白(PAPs)。2024年2月29日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作在Cell 在线发表题为“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的研究论文，该研究解析了叶绿体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，并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。该研究显示PEP核心采用细菌RNAP的典型折叠。15个PAPs结合在PEP核心的外围，促进PEP-PAPs超复合物的组装，保护复合物免受氧化损伤，并可能将基因转录与RNA加工偶联。该研究结果报道了叶绿体转录装置的高分辨率结构，为叶绿体转录调控的机制和功能研究提供了结构基础。另外，2024年2月29日，英国John Innes中心的Michael W. Webster团队在Cell 在线发表题为“Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase”的研究论文，该研究展示了来自Sinapis alba的天然21亚基PEP和PEP转录延伸复合物的冷冻电镜(cryo-EM)结构。该研究发现PAPs包裹核心聚合酶，形成广泛的相互作用，可能促进复杂的组装和稳定性。在延伸过程中，PAPs与转录泡下游的DNA和新生mRNA相互作用。这些模型揭示了PEP亚基的超氧化物歧化酶、赖氨酸甲基转移酶、硫氧还蛋白和氨基酸连接酶的细节。这些数据为了解叶绿体转录的机制及其在植物生长和适应中的作用提供了基础。叶绿体是藻类和植物细胞质中负责光合作用的绿色质体。人们普遍认为叶绿体是在大约15亿年前由蓝藻内共生进化而来的。在进化过程中，叶绿体基因组中的基因要么被抛弃，要么逐渐转移到核染色体，导致大多数陆生植物叶绿体基因组中仅保留110-130个基因。这些基因中的大多数编码基因转录、蛋白质翻译和光合作用的蛋白质装置的组成部分。两种类型的RNA聚合酶处理储存在叶绿体基因组中的遗传信息：细菌型质体编码RNA聚合酶(PEP)和噬菌体型核编码RNA聚合酶(NEP)。PEP在原质体的叶绿体生物发生过程中起着至关重要的作用，在成熟的叶绿体中作为主要的RNA聚合酶，负责转录80%以上的叶绿体基因，尽管它在异养条件下是必不可少的PEP中心转录装置的PEP核心与其祖先蓝藻RNA聚合酶(RNAP)保持相似的组成。它包括5个核心亚基(分别由rpoA、rpoB、rpoC1和rpoC2基因编码的2α、b、β’1和β’2)，分子量为450 kDa，其中亚基β’1和β’2是从其他细菌RNAPs的全长β’亚基分裂而来的产物。与它的祖先不同，PEP核心在β’2亚基中包含一个较大的谱系特异性序列插入(SI3)，而不包含ω亚基。图片显示叶绿体转录装置(PEP-PAP)积极参与叶绿体基因的转录。PEP- PAP复合物的结构表明，原核来源的催化核心(PEP：灰色卡通)位于复合体的中心，真核来源的PEP相关蛋白(PAP：彩色表面)结合在PEP核心的外围（Credit: Cell ）以PEP为中心的转录装置的独特之处在于，十多个核编码亚基与PEP紧密相互作用，并组装成分子量为1MDa的超复合体。在烟草、Sinapis alba、拟南芥、Pisum sativum、Spinacia oleracea等植物中，已经进行了大量以PEP为中心的超复合体的稳定亚基鉴定。这些额外的亚基最初被命名为质体转录活性染色体蛋白(pTACs)，因为它们存在于转录活性叶绿体染色体中其中10个蛋白被重新命名为PEP相关蛋白(PEP-associated proteins, pap);PAP1-10)在后来的研究中，因为每个突变与PEP核心亚基突变体的表型相似，PEP表现出由叶绿体发育严重缺陷引起的白化/苍白表型随后又有两个蛋白被添加到PAP列表中，包括PAP11 (MurE-like protein)和PAP12 (pTAC7)。这些PAP的功能在很大程度上仍然未知。据推测，由于在缺乏PAP或PEP亚基的突变体中观察到相似的表型，大多数PAP对于功能性PEP-PAP超复合体是必需的。模式图（Credit:Cell）PEP-PAP超复合体的积累发生在前质体叶绿体生物发生的开始。在暗生长的植物幼苗中，只检测到基础水平的1 MDa PEP-PAP超复合体。在光照下，1 MDa PEP-PAP复合体随着PEP依赖性转录的增加而迅速积累在成熟叶绿体中，PEP的转录活性也受到严格调控，主要是通过核编码的转录起始因子SIGMA因子(SIGs或ss)的可用性，这些因子在转录和翻译后水平上受到各种信号(光、温度、昼夜节律、氧化还原等)的严格调控。该研究从烟草叶绿体中纯化了PEP-PAP超复合物，并通过单粒子冷冻电镜(cryo-EM)方法测定了复合物的结构。数据显示，PEP的细菌起源亚基折叠成典型的细菌RNAP结构，共有15个PAP结合在PEP核心的外围。PAP与PEP核心的相互作用促进了PEP-PAP超复合物的组装，保护复合物免受氧化损伤，并将基因转录与RNA加工偶联。该研究的PEP-PAP复合物的结构提供了细菌源PEP核心和真核源PAP组装的结构细节，并为研究叶绿体转录机制如何进化以帮助陆地植物在恶劣的陆地环境中生存和适应新的生命周期提供了结构基础。原文链接https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00063-1https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/fulltext/S0092-8674(24)00103-X责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文Nature | 癌症与神经系统的致命舞蹈