2024-03-19 17:47:25
在遺傳信息表達的過程中，“基因轉(zhuǎn)錄機器”發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器是目前已知最復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)錄機器。近日，學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究團隊和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲研究團隊合作完成的最新研究成果。該研究揭示了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”，并成功解析其構(gòu)造。
儲存在DNA中的遺傳信息就像數(shù)據(jù)存儲在硬盤中，什么時間去讀取，讀取強度是多少，如何整合各方面信號來讀取數(shù)據(jù)、輸出指令，從而將遺傳信息從DNA傳遞到RNA中去，都要依靠基因轉(zhuǎn)錄機器（一種RNA聚合酶），它也因此常被人們比作“細胞里的CPU”。多年研究表明，葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器控制葉綠體的發(fā)育過程，以及葉綠體發(fā)育成熟后的基因表達，在調(diào)控植物光合作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，此前未被科學(xué)家完全解讀。
15億年前，可以進行光合作用的原核藍細菌被真核細胞吞并，慢慢地演變成共生的細胞器，最終演化為如今的植物葉綠體。在漫長的生物進化過程中，藍細菌的基因組基因或被轉(zhuǎn)移至細胞核，或被丟失，最終在葉綠體中留下了僅含有100多個基因的基因組，負責(zé)執(zhí)行光合作用、保障葉綠體正常運轉(zhuǎn)等重要功能。
研究團隊利用葉綠體轉(zhuǎn)化技術(shù)，構(gòu)建了葉綠體轉(zhuǎn)基因煙草，再通過親和純化的方式，提取出純度較高的葉綠體基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)樣本。最后利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器構(gòu)造。
研究發(fā)現(xiàn)，在原核藍細菌基因轉(zhuǎn)錄機器的基礎(chǔ)上，葉綠體的基因轉(zhuǎn)錄機器“裝配”了多個獨特的功能模塊，其“身形”變?yōu)樵瓉淼?.5倍，“裝配部件”數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?倍。這些模塊大多并不源自原核藍細菌，而是源自真核細胞。葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護模塊、RNA模塊和調(diào)控模塊），它們像俄羅斯套娃一樣進行“裝配”。
研究為進一步探索葉綠體基因轉(zhuǎn)錄機器的工作模式、理解葉綠體的基因表達調(diào)控方式，以及改造葉綠體基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)。在合成生物學(xué)應(yīng)用層面，本研究為植物葉綠體生物反應(yīng)器的效率提升提供了著手點，可助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產(chǎn)物的生產(chǎn)。在“碳達峰”和“碳中和”的目標下，本研究為提高光合作用系統(tǒng)基因表達水平提供了新思路，助力植物高效碳匯。
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