破解数十年难题！中国科学院柳振峰团队发现叶绿体蛋白质传送器的组装原理

叶绿体依赖于外膜和内膜的传送器复合物(分别称为TOC和TIC)从细胞质中输入数千种不同的核编码蛋白。虽然先前的研究表明TOC和TIC复合物可以组装成更大的超复合物，但TOC-TIC超复合物的整体结构和前蛋白易位机制尚不清楚。

2023年1月26日，中国科学院生物物理研究所柳振峰团队在Nature 在线发表题为“Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex”的研究论文，该研究报告了莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii ）TOC-TIC超复合物的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，总体分辨率为2.8 Å。TOC复合体(Toc75、Toc90和Toc34)和TIC复合体(Tic214、Tic20、Tic100和Tic56)的主要亚基，3个叶绿体传送器相关蛋白(Ctap3、Ctap4和Ctap5)和3个新发现的膜内小蛋白(Simp1-3)均位于超复合体中。

Tic214是最大的蛋白，它穿过细胞膜、膜间空间和外膜，将TOC复合物与TIC蛋白连接起来。六磷酸肌醇(InsP6或I6P)分子位于Tic214-Toc90界面并稳定它们的组装。此外，4个脂质分子位于由Tic214、Tic20、Simp1和Ctap5组成的内膜漏斗内或上面。此外，在TOC-TIC超复合物中发现的多种潜在途径可能支持不同底物前蛋白转位到叶绿体中。

由于细胞器参与光合作用，叶绿体中含有2000-3000个核编码蛋白，通过TOC和TIC复合物从细胞质中输入。在过去的30年里，通过生物化学和遗传学的方法，已经确定了TOC和TIC机制的许多不同组成部分。TOC复合体主要由Toc159、Toc34和Toc75三个核心亚基组成，TIC复合体由Tic20、Tic214(也称为Ycf1)、Tic100和Tic56四个主要亚基组成。

Toc159和Toc34作为前蛋白的主要受体，Toc75单独或与Toc159和Toc34一起形成外膜的易位通道。Tic20是TIC传送器的核心组成部分，而Tic214是光合作用、氨基酸合成、核糖体生物发生等各种叶绿体蛋白质的输入所必需的。Tic100和Tic56对于TIC传送器复合物的组装非常重要，因为它们的缺失导致其余TIC组分的显著减少。此外，Tic236、Tic110、Tic62、Tic55、Tic40、Tic32、Tic22和Tic21等蛋白也被报道为TIC复合体的组成部分。

图1：叶绿体TOC-TIC超复合体负责将胞质中合成的前体蛋白转运进入叶绿体。超复合体中的不同蛋白质亚基着以不同的彩色加以区分，灰色部分为内膜和外膜的一部分。背景的左上角为细胞核和内质网，右下角为叶绿体的一部分

TIC复合物与TOC复合物结合，形成分子质量超过1兆达尔顿的大传送器超复合物。TOC-TIC超复合物已在陆生植物(拟南芥和Pisum sativum)和一种绿藻(Chlamydomonas reinhardtii)中发现。值得注意的是，TIC复合物(Tic20, Tic21, Tic32和Tic110)和TOC复合物(Toc75, Toc34和Toc159)的主要成分在绿色和红色谱系中都存在，而Tic214在大多数绿色谱系物种中是保守的，除了草类、一些寄生植物和蔓越莓（cranberry）。虽然TOC-TIC超复合体的蛋白质导入功能和组成已被广泛研究，但对超复合体不同亚基的组装机制和前蛋白的易位途径尚不清楚。

该研究报告了莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii ）TOC-TIC超复合物的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，总体分辨率为2.8 Å。TOC复合体(Toc75、Toc90和Toc34)和TIC复合体(Tic214、Tic20、Tic100和Tic56)的主要亚基，3个叶绿体传送器相关蛋白(Ctap3、Ctap4和Ctap5)和3个新发现的膜内小蛋白(Simp1-3)均位于超复合体中。

图2：TOC-TIC超复合体中各蛋白亚基的定位和组装

Tic214是最大的蛋白，它穿过细胞膜、膜间空间和外膜，将TOC复合物与TIC蛋白连接起来。六磷酸肌醇(InsP6或I6P)分子位于Tic214-Toc90界面并稳定它们的组装。此外，4个脂质分子位于由Tic214、Tic20、Simp1和Ctap5组成的内膜漏斗内或上面。此外，在TOC-TIC超复合物中发现的多种潜在途径可能支持不同底物前蛋白转位到叶绿体中。

中科院生物物理研究所博士研究生刘昊同学和李安节同学分别为论文的第一和第二作者，合作者瑞士日内瓦大学Jean-David Rochaix教授参与该项课题技术路线的设计和结果分析讨论。柳振峰研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委杰出青年基金项目、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划和战略性先导科技专项（B类）、科技部重点研发计划的资助和支持。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y

转自：“iNature”微信公众号

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