李梅研究组与合作者共同揭示驱动叶绿体蛋白输入的马达复合物结构和作用机制

　　

　　叶绿体是植物细胞中负责光合作用的重要细胞器，其内部大多数蛋白都是由核基因编码并在细胞质中合成。核基因编码的前体蛋白（Pre-protein）在穿过叶绿体表面的双层被膜进入叶绿体的过程中，高度依赖于复杂精巧的前体蛋白转运体系统（Translocons）。分别定位于叶绿体外被膜和内被膜的TOC和TIC复合物（Translocons at the Outer and Inner envelope membranes of Chloroplast）共同组成TOC-TIC超复合体，负责介导绝大多数前体蛋白从细胞质到叶绿体内部的输送过程。此外，叶绿体蛋白转运系统还包含一个马达蛋白复合物（Motor complex）机器，它在前体蛋白跨叶绿体被膜转运的过程中起到关键的驱动作用。之前的研究结果揭示了TOC-TIC超复合体的组成及转运路径，但是该蛋白转运系统是如何利用ATP水解的能量来驱动前体蛋白的跨膜转运过程，这一关键科学问题有待进一步研究阐明。关于马达蛋白复合物的具体组成、结构以及前体蛋白的转运机理等细节，目前还知之甚少。

　　2024年11月7日，中国科学院生物物理研究所李梅团队和中国科学院植物研究所杨文强团队在《Molecular Plant》合作发表题为"Architecture of the ATP-driven motor for protein import into chloroplasts"的研究论文。

图1. Orf2971-FtsHi马达蛋白复合物的整体结构

　　A-B,复合物的侧面图，不同亚基用不同颜色显示（IEM内膜区域用橘色线条指出）；C-D,复合物的顶端（C）和底部（D）视角。

　　该项研究通过解析莱茵衣藻叶绿体的马达蛋白--Orf2971-FtsHi复合物的高分辨率结构（图1），揭示了该复合物高度复杂的蛋白组成和装配细节，探讨了前体蛋白的可能转运路径。Orf2971-FtsHi是由19个蛋白形成的一个20个亚基的复合物，横跨叶绿体的内膜，并向两侧凸出到叶绿体膜间隙以及基质侧。其中Orf2971是一个由叶绿体质体基因组编码的蛋白，总分子量约为341 kDa，在进化层面上起源于FtsH蛋白酶，该蛋白在复合物中充当支架，与另外19个蛋白亚基中的17个均有直接相互作用，从而对于整个复合物的组装和稳定都至关重要。此外，复合物中还有另外4个蛋白（Ctap1,Fhl1,Fhl2及Fhl3）也与FtsH蛋白酶同源。结构显示这5个FtsH样蛋白共同形成一个类似于双层圆盘的异源六聚体结构（由Orf2971,Ctap1,Fhl1,Fhl2以及两个相同的Fhl3组成），通过水解消耗ATP分子为前体蛋白的跨膜转运提供拉力；而其余14个蛋白亚基则起到帮助复合物组装及稳定，以及参与前体蛋白的运输及调节的作用。该项研究还通过表面等离子共振技术（SPR）以及高斯加速分子动力学模拟（Gaussian accelerated molecular dynamic simulation）证明了马达蛋白复合物中的Tic22蛋白与TOC-TIC复合体中的Toc75蛋白直接相互作用，从而提出了两种复合物的结合模型（图2），为理解TOC-TIC复合体与马达蛋白复合物彼此协调，共同完成前体蛋白转运的过程和机制提供了重要信息。

图2. TOC-TIC复合物与Orf2971-FtsHi motor的结合方式

　　中国科学院生物物理研究所博士后王宁和中国科学院植物研究所博士后邢家乐为论文的共同第一作者，中国科学院生物物理研究所李梅研究员和中国科学院植物研究所杨文强研究员为共同通讯作者，同时李梅研究组的苏小东，史利芳，已毕业的博士生司龙，杨文强研究组的潘俊廷，以及中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的陈辉也参与了该项研究工作。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、科技部重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划及中国科学院青促会项目基金的资助，冷冻电镜数据收集和样品分析等工作得到中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台相关工作人员的帮助和支持。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.09.010

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（供稿：李梅研究组）

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