2024-03-19 17:47:25
在遺傳信息表達的過程中，“基因轉錄機器”發揮著至關重要的作用，而葉綠體基因轉錄機器是目前已知最復雜的基因轉錄機器。近日，學術期刊《細胞》（Cell）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊和華中農業大學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錄機器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”，并成功解析其構造。
儲存在DNA中的遺傳信息就像數據存儲在硬盤中，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據、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，葉綠體基因轉錄機器控制葉綠體的發育過程，以及葉綠體發育成熟后的基因表達，在調控植物光合作用中發揮關鍵作用，但由于其結構的復雜性，此前未被科學家完全解讀。
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，負責執行光合作用、保障葉綠體正常運轉等重要功能。
研究團隊利用葉綠體轉化技術，構建了葉綠體轉基因煙草，再通過親和純化的方式，提取出純度較高的葉綠體基因轉錄蛋白質樣本。最后利用單顆粒冷凍電鏡技術，成功解析了葉綠體基因轉錄機器構造。
研究發現，在原核藍細菌基因轉錄機器的基礎上，葉綠體的基因轉錄機器“裝配”了多個獨特的功能模塊，其“身形”變為原來的2.5倍，“裝配部件”數量變為原來的3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錄機器的工作模式、理解葉綠體的基因表達調控方式，以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。在合成生物學應用層面，本研究為植物葉綠體生物反應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物的生產。在“碳達峰”和“碳中和”的目標下，本研究為提高光合作用系統基因表達水平提供了新思路，助力植物高效碳匯。
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