中国科学院分子植物卓越中心张余/华中农大菲周叶绿体的基因转录机制研究新突破

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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团队和华中农业大学周菲团队合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上以“Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase”为题发表了封面研究论文。该研究解析了烟草叶绿体RNA聚合酶PEP复合物和PEP转录延伸复合物的电镜结构，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。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。

值得一提的是，2024年2月29日，来自英国诺里奇研究园约翰英纳斯中心生物化学与代谢系的Michael W. Webster团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上以“Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase”为题发表了一篇同一主题的研究性论文。该研究发现白芥菜叶绿体RNA聚合酶PEP相关蛋白PAPs包裹核心聚合酶，形成广泛的相互作用，并在延伸过程中PAPs与转录泡下游DNA和新生mRNA相互作用。本研究通过多种模型解析了PEP复合物的超氧化物歧化酶、赖氨酸甲基转移酶、硫氧还蛋白和氨基酸连接酶的细节，为深入了解叶绿体的转录机制及其在植物生长和适应中的作用提供了理论基础。

叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，吸收二氧化碳，释放氧气，是地球生物圈的重要塑造者。质体编码的RNA聚合酶（plant plastid-encoded RNA polymerase，PEP）在原质体到叶绿体的发育成熟过程中以及成熟叶绿体中负责基因转录。PEP的组成非常特殊，其包括了由质体基因组编码蓝细菌起源的PEP核心（PEP core），和若干细胞核编码真核起源的PEP相关蛋白（PEP associate proteins，PAPs）。但是真核起源的PAPs如何与和细菌起源的PEP core进行复合物组装、以及如何调控PEP的转录活性，这些问题尚未得到解答。

张余团队从烟草叶绿体中纯化了PEP-PAP超大复合物，并通过冷冻电镜技术解析了近原子分辨率的PEP-PAP全酶以及PEP-PAP的转录延伸复合物结构，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。PEP-PAP结构显示PEP core具有典型的细菌类型RNA聚合酶结构，位于复合物的中心，另外15个真核起源的PAPs结合在PEP core外围，组成了不同的功能模块，包括“支架模块”、“保护模块”、“RNA模块”和“调控模块”，是目前已知最复杂的基因转录蛋白质机器。“支架模块”稳定催化模块并提供其他模块结合支架，“保护模块”通过超氧化物歧化酶功能保护PEP免受叶绿体中超氧化物攻击，“RNA模块”协助关联 RNA转录后加工，“调控模块”可能参与调控PEP的转录活性。这些功能模块由细胞核基因组编码，其在细胞质中被翻译后转运到叶绿体与PEP的催化模块形成复合物，实现细胞核对叶绿体基因表达的控制。通过对PEP-PAP蛋白亚基的进化分析，研究者发现叶绿体基因转录机器PEP-PAP的演化时间与植物登陆时间基本一致，陆生植物叶绿体基因转录机器通过招募这些额外的亚基，演化出独特的功能和调控机制，帮助其适应陆地环境和特殊的生命周期。

在基础研究层面，本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，本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，本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。

叶绿体基因转录机器

期刊封面

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请张余研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

PEP-PAP作为最后实现三维结构解析的RNA聚合酶类型，其难点在哪里？

张余研究员：

已知PEP-PAP是一个具有多个亚基的超大复合物，但是其亚基组成尚未明确。因此本项目的难点在于如何纯化低丰度、完整且具有活性的PEP-PAP复合物。为此我们与华中农业大学的周菲团队合作，选取叶片组织丰富的烟草作为实验材料，在叶绿体基因组上编码PEP核心亚基的rpoC2基因的3’末端端引入了FLAG亲和纯化标签的编码序列，并成功构建了稳定的叶绿体转基因烟草品系。我们利用亲和纯化的方式纯化了烟草内源PEP-PAP蛋白，从而避免了体外重构策略中蛋白亚基化学计量比不一致的困难。此外我们通过大量种植烟草，收集足够的烟草叶片，来弥补PEP-PAP低丰度的短板。

CellPress：

为什么称PEP-PAP是目前已知最复杂的RNA聚合酶？

张余研究员：

PEP-PAP的以下几个特征让其成为三域生物最复杂的RNA聚合酶：（1）PEP-PAP分子量最大（约1 MDa）且蛋白亚基数量最多（20个蛋白亚基）；（2）PEP-PAP的功能特异，其不仅具有RNA合成活性，还具有超氧化物酶的活性；（3）PEP-PAP的调控机制复杂，其蛋白亚基分为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），催化模块负责RNA合成，支架模块促进复合物组装，保护模块保护复合物免受氧化自由基损伤，RNA模块可能关联转录后的RNA加工，调控模块可能调控催化模块的转录起始活性；（4）PEP-PAP的蛋白亚基具有不同起源，核心催化模块起源于蓝细菌，其他模块起源于真核细胞；（5）PEP-PAP亚基在不同的细胞器编码，催化模块亚基在叶绿体基因组编码，其他模块亚基由细胞核基因组编码。因此，综合PEP-PAP复合物的分子量和亚基数目、生化功能、调控方式、亚基进化起源、以及编码基因分布，PEP-PAP是目前已知最复杂的RNA聚合酶。

CellPress：

叶绿体PEP-PAP三维结构的解析，对植物光合作用提升的指导意义？

张余研究员：

叶绿体的基因表达在转录和转录后水平受到包括光、昼夜节律、温度等多重因素的调控，上述大多数的调控信号都会汇聚到PEP-PAP复合物，进行mRNA的合成和加工。解析PEP-PAP复合物的三维结构，为进一步理解PEP-PAP起始、延伸和终止mRNA合成的生化和结构机制打开了大门，为理解叶绿体基因表达的调控机制打下了基础。此外，PEP-PAP的结构揭示了其拥有超氧化物歧化酶活性，揭示了其自身存在转录活性的负调控机制。基于PEP-PAP的三维结构改造，理论上可以增强PEP-PAP的超氧化物酶活性、增强PEP-PAP的转录活性、提高光合作用复合物的基因表达水平。

作者介绍

张余

研究员

张余，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员。其2004和2009年分别在复旦大学和中国科学院上海药物研究所获得学士和博士学位；2009至2015年在美国Rutgers University从事博士后研究；2015年至今，在中国科学院分子植物科学卓越创新中心担任研究员。其曾荣获国家高层次人才青年项目、基金委优秀青年和上海市青年科技英才等称号。近年来以通讯作者在Nature、Science、Cell、Nature structural & molecular biology 、Nature chemical biology、eLife、Nature Communications、PNAS、Nucleic Acid Research等期刊发表多篇学术论文。

周菲

副教授

周菲，华中农业大学副教授，2000和2003年在武汉大学获得学士和硕士学位；2004至2008年在德国Potsdam大学及马普分子植物生理研究所联合培养并获得博士学位；2008至2010年在德国马普分子植物生理研究所从事博士后研究，2010年至今在华中农业大学任副教授。曾荣获“湖北省楚天学子”称号。在eLife、Plant molecular biology、Plant biotechnology journal、Frontiers in plant science等杂志发表学术论文10余篇。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00063-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.026

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