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iNature · 公众号 · · 2024-08-28 10:41

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叶绿体蛋白在ATP酶马达的驱动下，通过叶绿体外膜(TOC)转座子和叶绿体内膜(TIC)超复合体的转座子导入。Ycf2-FtsHi复合体已被确定为叶绿体进口马达。 然而，其在前蛋白转运过程中与TIC复合物的组装和合作尚不清楚。

2024年8月27日，西湖大学闫浈团队在 Cell 在线发表题为 “ Structural insights into the chloroplast protein import in land plants ” 的研究论文， 该研究 展示了拟南芥Ycf2-FtsHi和TIC配合物的结构，以及Pisum在它们之间形成的超配合物。 Ycf2FtsHi结构揭示了具有特征的异六聚AAA+ atp酶马达模块。Ycf2-FtsHi的四种先前未被表征的成分被鉴定出来，它们有助于以相对于膜的倾斜角度组装和锚定马达模块。将TIC复合物和TIC-Ycf2-FtsHi超复合物的结构结合起来考虑，Ycf2-FtsHi的倾斜马达模块使其能够与TIC复合物紧密接触，从而促进高效的前蛋白易位。 该研究为陆地植物叶绿体蛋白质输入过程提供了有价值的结构见解。

此外， 2024年8月27日，西湖大学闫浈团队在 Cell 在线发表题为 “ Conservation and specialization of the Ycf2-FtsHi chloroplast protein import motor in green algae ” 的研究论文， 该研究 从 Chlamydomonas reinhardtii 中分离并确定了天然Ycf2-FtsHi复合物的冷冻电镜(cryo-EM)结构，发现了一个由多达19个亚基组成的复合物，包括多个绿藻特异性成分。异六聚体AAA+ ATP酶马达模块是倾斜的，潜在地促进了内叶绿体膜(TIC)复合体上转运子的前蛋白切换。前蛋白与Ycf2-FtsHi相互作用，增强其ATP酶活性。在叶绿体外膜(TOC)-TIC超复合体结构中整合Ycf2-FtsHi和易位子，揭示了它们在蛋白前体易位过程中的物理和功能相互作用。 通过将这些发现与陆地植物的结果进行比较，该研究为了解叶绿体蛋白质输入马达的组装、功能、进化保护和多样性奠定了结构基础。

叶绿体是植物细胞的基本细胞器，是维持地球生命的光合作用的主要场所。尽管叶绿体有自己的基因组，但其大部分蛋白质在细胞核中编码，并在细胞质中作为前蛋白合成。这些前蛋白随后通过叶绿体的外包膜(OEM)和内包膜(IEM)运输。转座子机制，即叶绿体外膜转座子(TOC)和叶绿体内膜转座子(TIC)复合体，为前蛋白易位提供了途径，而ATP水解产生的能量是这一过程所必需的。 ATPase输入马达被认为提供来自基质侧的拉力来驱动前蛋白的易位，这对叶绿体的发育和生物发生至关重要。

尽管叶绿体输入马达的基本作用，其分子组成和作用方式仍然是难以捉摸的。 对输入马达提出了两种可能的方式。其中之一暗示了三种基质伴侣ATP酶(Hsp93、cpHsp70和Hsp90C)的参与。最近提出的另一种模型表明，2-MD Ycf2-FtsHi异质复合物作为输入马达。虽然Hsp93/cpHsp70/Hsp90C主要与由Tic110和tic40组成的经典TIC模型相关联，但Ycf2-FtsHi复合物与包含Tic20, Tic56, Tic100和Tic214/Ycf1的TIC复合物合作，这两种输入马达是否兼容仍有待研究。

机理模式图（图源自 Cell ）

最近的研究表明，在衣藻(CrTOCTIC)的TOC-TIC超复合物结构中存在Tic20、Tic56、Tic100和Tic214。与分离的TOC-TIC超复合物样品一起，Ycf2(在衣藻中也称为Orf2971)和FtsHi蛋白的几个同源组分被共同纯化并通过质谱(MS)检测，表明在绿藻物种中存在与TOC-TIC超复合物相关的同源Ycf2-FtsHi复合物。此外，在高等植物物种中的其他共免疫沉淀数据也表明Ycf2FtsHi复合物与Ycf1/Tic214之间存在直接关联，这些数据支持Ycf2-FtsHi复合物作为不同物种的输入动力的作用。

缺乏Ycf2-FtsHi复合物的结构信息极大地阻碍了对这一重要运动复合物的分子细节的全面理解。此外，尽管人们认为Ycf2-FtsHi复合物和含有Ycf1/ Tic214的TIC复合物在易位前蛋白存在的情况下形成了一个易位中间超复合物，但缺乏这种超复合物存在的直接结构证据，而且这两个复合物之间直接关联的潜在机制仍不清楚。先前对CrTOC-TIC的结构研究没有观察到超配合物的形成，这表明两个配合物之间的相互作用可能是短暂的和动态的。另一方面，CrTOC-TIC的结构揭示了绿藻物种特有的几种TOC和TIC组分的存在，表明不同物种之间TOC和TIC复合物的组成多样性。陆生植物中TOC和TIC复合物的详细组成和结构组装还有待研究

在该研究中，作者从拟南芥中纯化了原生Ycf2-FtsHi复合物和TIC复合物(以下分别称为AtYcf2-FtsHi和AtTIC)，并确定了它们的高分辨率冷冻电镜结构。此外，还以中等分辨率确定了从 Pisum sativum 中分离的易位中间超复合物(称为PsTIC-Ycf2-FtsHi)的冷冻电镜结构。 总之，这些结构为这两个复合物之间的合作提供了令人信服的证据，并为陆地植物叶绿体前蛋白的转运机制提供了有价值的见解。

这两项工作主要由西湖大学博士生梁珂，西湖实验室开拓学者金泽宇，西湖大学副研究员占谢超、博士生李誉鑫、博士生许祺奎、博士生杨怡、科研助理谢艳秋等成员共同完成。西湖大学特聘研究员闫浈为通讯作者。西湖大学的质谱平台、冷冻电镜平台以及高性能计算中心为研究提供了技术支持。研究经费由国家自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室资助。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00894-8

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00893-6

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