登上《細胞》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胞里的CPU，調控著遺傳信息DNA轉錄為RNA的全過程。迄今，人類發現三域（細菌域、古生菌域、真核生物域）生物共有9類RNA聚合酶，其中結構最大、最復雜的“葉綠體RNA聚合酶”一直未能被成功解析出來，是幾十年來科學界的一大待解之謎。如今，我國科學家成功解開了這一謎團。3月1日，國際頂級學術期刊 《細胞》（Cell）的封面是一張“葉綠體RNA聚合酶”的構造圖，該期封面文章為“植物葉綠體編碼的RNA聚合酶冷凍電鏡結構”，由中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊和華中農業大學周菲研究團隊合作完成。該研究解析了葉綠體基因轉錄機器的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的“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化為化學能，為地球生命提供了能量和氧氣，是地球環境的重要塑造者。15億年前，原核藍細菌被真核細胞所吞并，最終演化為如今的植物葉綠體。在此過程中，藍細菌基因組基因不斷被轉移至細胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉錄葉綠體基因組的機器卻一點都不簡單。它在原核藍細菌基因轉錄機器的基礎上，裝配了多個獨特的功能模塊，進而其“身形”變為原來的2.5倍，其“裝配部件”數量變為原來的3倍。然而這些模塊在原核藍細菌中卻基本沒有任何“原型”，大多數“借”于真核細胞。多年研究表明，葉綠體基因轉錄機器控制葉綠體的發育過程以及成熟葉綠體的基因表達，在調控植物光合作用中發揮關鍵角色，但葉綠體基因轉錄機器的構造依然未知。

2016年，張余研究團隊開始向這一世界難題發起挑戰。“葉綠體RNA聚合酶是植物細胞特有的CPU，調控著80%的葉綠體基因，負責葉綠體的發育和其功能發揮。如果能解析出葉綠體RNA聚合酶的構造，無疑將打開葉綠體基因轉錄領域的大門。”張余帶著對大自然的好奇和刨根問底的精神，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卓越創新中心多年來營造的讓青年人才潛心啃硬骨頭的氛圍。

葉綠體基因轉錄蛋白質機器構造

研究團隊首先利用葉綠體轉化技術構建了葉綠體轉基因煙草，隨后通過親和純化的方式獲得完整的葉綠體基因轉錄蛋白質復合物，最終利用單顆粒冷凍電鏡技術成功解析了葉綠體基因轉錄機器構造。與原核藍細菌基因轉錄機器相比，葉綠體基因轉錄機器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了催化模塊、支架模塊、保護模塊、RNA模塊和調控模塊等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細菌。其他模塊由細胞核基因組編碼，其大部分蛋白亞基起源于真核細胞，在細胞質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雜的基因轉錄機器。

藍細菌來源的催化模塊包含6個蛋白亞基，其位于復合物的核心層；支架模塊包含7個蛋白亞基，它們一方面穩定催化模塊，另一方面提供其他模塊的結合位點；保護模塊包括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，能夠序列特異性結合RNA，推測可能參與轉錄關聯的RNA加工過程； 調控模塊包括4個亞基，推測它們參與基因轉錄機器的活性調控。

張余研究員在實驗室查看樣品

中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌認為，在基礎研究層面，該研究為進一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、理解葉綠體的基因表達調控方式以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。該研究為光合作用系統基因表達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，在合成生物學應用層面，該研究為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了著手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物、和天然產物的生產。（文中圖片均為中國科學院分子植物科學卓越創新中心提供）

來源：人民日報客戶端上海頻道