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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn),。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求,、面向人民生命健康,，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地,，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù),，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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生物物理所等揭示驅(qū)動(dòng)葉綠體蛋白輸入的馬達(dá)復(fù)合物結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制

2024-11-11 生物物理研究所

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葉綠體是植物細(xì)胞中負(fù)責(zé)光合作用的重要細(xì)胞器,。葉綠體內(nèi)部多數(shù)蛋白由核基因編碼并在細(xì)胞質(zhì)中合成,。而核基因編碼的前體蛋白在穿過葉綠體表面的雙層被膜進(jìn)入葉綠體的過程中，依賴于前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng),。分別定位于葉綠體外被膜和內(nèi)被膜的TOC和TIC復(fù)合物共同組成TOC-TIC超復(fù)合體,，負(fù)責(zé)介導(dǎo)多數(shù)前體蛋白從細(xì)胞質(zhì)到葉綠體內(nèi)部的輸送過程,。同時(shí),，葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包含一個(gè)馬達(dá)蛋白復(fù)合物機(jī)器。它在前體蛋白跨葉綠體被膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用,。此前，有研究揭示了TOC-TIC超復(fù)合體的組成及轉(zhuǎn)運(yùn)路徑,，但該蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)如何利用ATP水解的能量來驅(qū)動(dòng)前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程尚不清楚,。同時(shí),，關(guān)于馬達(dá)蛋白復(fù)合物的具體組成,、結(jié)構(gòu)以及前體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理等知之甚少,。

11月7日,，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所李梅團(tuán)隊(duì)和植物研究所楊文強(qiáng)團(tuán)隊(duì),，在《分子植物》（Molecular Plant）上發(fā)表了題為Architecture of the ATP-driven motor for protein import into chloroplasts的研究論文,。該研究通過解析萊茵衣藻葉綠體的馬達(dá)蛋白——Orf2971-FtsHi復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了該復(fù)合物高度復(fù)雜的蛋白組成和裝配細(xì)節(jié),，探討了前體蛋白的可能轉(zhuǎn)運(yùn)路徑,。

研究發(fā)現(xiàn)，Orf2971-FtsHi是由19個(gè)蛋白形成的一個(gè)20個(gè)亞基的復(fù)合物,，橫跨葉綠體的內(nèi)膜，并向兩側(cè)凸出到葉綠體膜間隙以及基質(zhì)側(cè),。其中，Orf2971是一個(gè)由葉綠體質(zhì)體基因組編碼的蛋白,，總分子量約為341 kDa，在進(jìn)化層面上起源于FtsH蛋白酶,。而該蛋白在復(fù)合物中充當(dāng)支架，與另外19個(gè)蛋白亞基中的17個(gè)均有直接相互作用,，對(duì)整個(gè)復(fù)合物的組裝和穩(wěn)定至關(guān)重要,。同時(shí),，復(fù)合物的另外4個(gè)蛋白即Ctap1、Fhl1,、Fhl2及Fhl3與FtsH蛋白酶同源。結(jié)構(gòu)顯示,，這5個(gè)FtsH樣蛋白共同形成一個(gè)類似于雙層圓盤的異源六聚體結(jié)構(gòu),，通過水解消耗ATP分子為前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)提供拉力,；其余14個(gè)蛋白亞基發(fā)揮幫助復(fù)合物組裝與穩(wěn)定以及參與前體蛋白的運(yùn)輸及調(diào)節(jié)的作用,。

該研究通過表面等離子共振技術(shù)及高斯加速分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了馬達(dá)蛋白復(fù)合物中的Tic22蛋白與TOC-TIC復(fù)合體中的Toc75蛋白直接相互作用,，提出了兩種復(fù)合物的結(jié)合模型，為探討TOC-TIC復(fù)合體與馬達(dá)蛋白復(fù)合物彼此協(xié)調(diào)以共同完成前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的過程和機(jī)制提供了重要信息。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)家自然科學(xué)基金,、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）,、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃,、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)目的支持,。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)的協(xié)助,。

論文鏈接

Orf2971-FtsHi馬達(dá)蛋白復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)

葉綠體是植物細(xì)胞中負(fù)責(zé)光合作用的重要細(xì)胞器,。葉綠體內(nèi)部多數(shù)蛋白由核基因編碼并在細(xì)胞質(zhì)中合成。而核基因編碼的前體蛋白在穿過葉綠體表面的雙層被膜進(jìn)入葉綠體的過程中,，依賴于前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng),。分別定位于葉綠體外被膜和內(nèi)被膜的TOC和TIC復(fù)合物共同組成TOC-TIC超復(fù)合體,，負(fù)責(zé)介導(dǎo)多數(shù)前體蛋白從細(xì)胞質(zhì)到葉綠體內(nèi)部的輸送過程。同時(shí),，葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包含一個(gè)馬達(dá)蛋白復(fù)合物機(jī)器,。它在前體蛋白跨葉綠體被膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用。此前,，有研究揭示了TOC-TIC超復(fù)合體的組成及轉(zhuǎn)運(yùn)路徑,，但該蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)如何利用ATP水解的能量來驅(qū)動(dòng)前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程尚不清楚。同時(shí),，關(guān)于馬達(dá)蛋白復(fù)合物的具體組成,、結(jié)構(gòu)以及前體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理等知之甚少。11月7日,，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所李梅團(tuán)隊(duì)和植物研究所楊文強(qiáng)團(tuán)隊(duì),，在《分子植物》（Molecular Plant）上發(fā)表了題為Architecture of the ATP-driven motor for protein import into chloroplasts的研究論文。該研究通過解析萊茵衣藻葉綠體的馬達(dá)蛋白——Orf2971-FtsHi復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu),，揭示了該復(fù)合物高度復(fù)雜的蛋白組成和裝配細(xì)節(jié),，探討了前體蛋白的可能轉(zhuǎn)運(yùn)路徑。研究發(fā)現(xiàn),，Orf2971-FtsHi是由19個(gè)蛋白形成的一個(gè)20個(gè)亞基的復(fù)合物,，橫跨葉綠體的內(nèi)膜,，并向兩側(cè)凸出到葉綠體膜間隙以及基質(zhì)側(cè)。其中,，Orf2971是一個(gè)由葉綠體質(zhì)體基因組編碼的蛋白，總分子量約為341 kDa,，在進(jìn)化層面上起源于FtsH蛋白酶,。而該蛋白在復(fù)合物中充當(dāng)支架，與另外19個(gè)蛋白亞基中的17個(gè)均有直接相互作用,，對(duì)整個(gè)復(fù)合物的組裝和穩(wěn)定至關(guān)重要,。同時(shí)，復(fù)合物的另外4個(gè)蛋白即Ctap1,、Fhl1,、Fhl2及Fhl3與FtsH蛋白酶同源。結(jié)構(gòu)顯示,，這5個(gè)FtsH樣蛋白共同形成一個(gè)類似于雙層圓盤的異源六聚體結(jié)構(gòu)，通過水解消耗ATP分子為前體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)提供拉力,；其余14個(gè)蛋白亞基發(fā)揮幫助復(fù)合物組裝與穩(wěn)定以及參與前體蛋白的運(yùn)輸及調(diào)節(jié)的作用。該研究通過表面等離子共振技術(shù)及高斯加速分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了馬達(dá)蛋白復(fù)合物中的Tic22蛋白與TOC-TIC復(fù)合體中的Toc75蛋白直接相互作用,，提出了兩種復(fù)合物的結(jié)合模型,，為探討TOC-TIC復(fù)合體與馬達(dá)蛋白復(fù)合物彼此協(xié)調(diào)以共同完成前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的過程和機(jī)制提供了重要信息,。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金,、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）,、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)目的支持,。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)的協(xié)助。論文鏈接Orf2971-FtsHi馬達(dá)蛋白復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)

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