RNA聚合酶，比喻性地稱為細胞中的CPU，調節將遺傳資訊DNA轉錄為RNA的整個過程。 到目前為止，在細菌域、古細菌域和真核域三個域中共有9種型別的RNA聚合酶，其中最大、最複雜的“葉綠體RNA聚合酶”尚未成功解決，這是科學界幾十年來亟待解開的一大謎團。 今天，中國科學家已經成功地解開了這個謎團。 3月1日，國際頂級學術期刊《細胞》封面為“葉綠體RNA聚合酶”的結構圖，本期封面文章為《植物葉綠體編碼的RNA聚合酶冷凍電鏡的結構》，由中國科學院分子植物科學卓越中心張宇研究團隊和華中農業大學週飛研究團隊完成。 本研究分析了葉綠體基因轉錄機的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機的“組裝部件”、“組裝模式”和“功能模組”。
研究成果發表在國際頂級期刊《細胞》封面上。
據研究員張宇介紹，葉綠體中的光合作用將光能轉化為化學能，為地球上的生命提供能量和氧氣，是地球環境的重要塑造者。 15億年前，原核藍藻被真核細胞吞噬，最終進化成今天的植物葉綠體。 在這個過程中，藍藻的基因組基因不斷轉移到細胞核上，最終形成乙個“小而精細”的葉綠體基因組，但轉錄葉綠體基因組的機器一點也不簡單。 在原核藍藻基因轉錄機的基礎上，它配備了許多獨特的功能模組，然後其“體型”變為原來的25倍，“組裝件”數量是原來的3倍。 然而，這些模組在原核藍藻中幾乎沒有“原型”，其中大部分是從真核細胞中“借來”的。 多年的研究表明，葉綠體基因轉錄機制控制著葉綠體的發育過程和成熟葉綠體的基因表達，在調控植物光合作用中起著關鍵作用，但葉綠體基因轉錄機制的結構仍未知。
2016年，張教授的研究團隊開始挑戰這一全球性問題。 “葉綠體RNA聚合酶是一種獨特的植物細胞CPU，它調控80%的葉綠體基因，負責葉綠體的發育和功能。 如果能夠解析葉綠體RNA聚合酶的結構，無疑將開啟葉綠體基因轉錄領域的大門。 憑著對自然的好奇心和探究精神，張宇堅持探索了8年。 他表示，之所以能堅持下來，是因為分子植物科學卓越中心多年來營造的氛圍，讓年輕人才能夠專心致志地鑽研堅硬的骨頭。
葉綠體基因轉錄蛋白機制構建。
研究團隊首先利用葉綠體轉化技術構建了葉綠體轉基因菸草，然後通過親和純化獲得了完整的葉綠體基因轉錄蛋白複合物，最後通過單顆粒冷凍電子顯微鏡成功解析了葉綠體基因轉錄機結構。 與原核藍藻基因轉錄機相比，葉綠體基因轉錄機共有20個“組裝部件”（蛋白質亞基），由催化模組、支架模組、保護模組、RNA模組和調控模組五個功能模組組成，其中催化模組由葉綠體基因組編碼，其蛋白質亞基來源於藍藻。 其他模組由核基因組編碼，其大部分蛋白質亞基起源於真核細胞，並在細胞質翻譯後轉運到葉綠體進行組裝。 這些原核和真核起源的蛋白質亞基構成了目前已知的最複雜的基因轉錄機制。
藍藻**的催化模組含有6個蛋白質亞基，位於複合物的核心層; 支架模組包含7個蛋白質亞基，一方面穩定催化模組，另一方面為其他模組提供結合位點; 保護模組包括 2 個亞基，它們充當超氧化物歧化酶，保護它們免受葉綠體中超氧化物的氧化侵蝕; RNA模組包括乙個亞基，可以特異性地將RNA與RNA結合，並推測它可能參與轉錄結合的RNA加工。 調控模組包括 4 個亞基，推測它們參與基因轉錄機制活性的調控。
研究員張宇在實驗室檢查樣品。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越中心主任韓斌認為，在基礎研究層面，本研究為進一步探索葉綠體基因轉錄機制的工作模式、了解葉綠體的基因表達調控模式、 並修改葉綠體基因表達調控網路。本研究為提高光合作用系統基因表達水平提供了新的思路，有望提高植物光合作用效率，增加碳匯。 此外，在合成生物學應用層面，本研究為提高植物葉綠體生物反應器的效率提供了起點，有助於重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產物的生產。
**文中由中國科學院分子植物科學卓越中心提供）。
* 人民**客戶上海頻道 |作者：黃曉輝。
編輯：高晨辰。
流程編輯：馬曉雙。