利用革命性的3D快照重新诠释光合作用

来自汉诺威和Göttingen的研究人员已经成功地创建了叶绿体复制机器的三维可视化。

　　

对于地球上生命的生存来说，植物利用阳光进行光合作用产生氧气和化学能的过程至关重要。来自G?ttingen和汉诺威的科学家们现在已经取得了突破，他们首次创建了叶绿体复制机制(RNA聚合酶PEP)的高分辨率3D可视化。这种复杂的结构为研究这种重要细胞装置的运作和进化历史提供了新的视角，有助于解释参与光合作用的蛋白质的遗传蓝图。

没有光合作用，就没有可以呼吸的空气——空气是地球上所有生命的基础。这个复杂的过程允许植物利用来自太阳的光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这种转化发生在叶绿体中，也就是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中发展起来的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合作用的蓝藻。随着时间的推移，细菌越来越依赖于它的“宿主细胞”，但保持了一些重要的功能，如光合作用和部分细菌基因组。因此，叶绿体仍然有自己的DNA，其中包含了“光合作用机制”中关键蛋白质的蓝图。

从PEP到能量

“一种独特的分子复制机器，一种叫做PEP的RNA聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令，”马克斯普朗克研究所(MPI)多学科科学研究小组组长、大学医学中心Göttingen教授、Göttingen卓越集群“多尺度生物成像”(MBExC)成员Hauke Hillen教授解释说。Hillen强调，这对激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的PEP，植物就不能进行光合作用，保持白色而不是变绿。

不仅复制过程是复杂的，复制机器本身也是复杂的:它由一个多亚基核心复合体组成，其蛋白质部分编码在叶绿体基因组中，还有至少12种相关的蛋白质，称为PAPs。植物细胞的核基因组为这些提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所的Thomas Pfannschmidt教授说:“到目前为止，我们已经能够描述叶绿体复制机器的一些单个部分的结构和生化特征，但我们对其整体结构和单个PAPs的功能缺乏精确的了解。”

3D详细快照

在密切合作下，由hake Hillen和Thomas Pfannschmidt领导的研究人员现在首次成功地以3.5埃的分辨率(比一毫米小3500万倍)将19个亚基PEP复合体三维可视化。

“我们从白芥菜中分离出完整的PEP，这是植物研究中的一种典型模式植物，”Pfannschmidt团队成员弗雷德里克·阿伦斯(Frederik Ahrens)说，他是该研究的第一作者之一，该研究现已发表在《Molecular Cell》杂志上。利用低温电子显微镜，科学家们创建了一个详细的由19部分组成的PEP复合物的3D模型。为此，样品被超高速速冻。然后，研究人员对复印机进行了数千次拍摄，从多个角度拍摄到原子水平，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一张整体图像。

结构快照显示PEP核心与其他RNA聚合酶类似，例如细菌或高级细胞的细胞核。然而，它含有叶绿体特异性的特征，介导与PAPs的相互作用。后者我们只在植物中发现，它们的结构是独特的，”MPI的博士生、MBExC赫塔·斯Sponer学院的成员葆拉·法佛雷蒂·维塔·多·普拉多解释说，她也是这项研究的第一作者。科学家们已经假设PAPs在读取光合作用基因方面完成了单独的功能。“正如我们所展示的，蛋白质以一种特殊的方式围绕RNA聚合酶核心排列自己。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合物相互作用，并参与基因读取过程，”Hillen补充道。

了解光合作用的进化

这项研究合作还使用数据库来寻找进化线索。他们想弄清楚观察到的复制机器的结构是否与其他植物相似。“我们的研究结果表明，PEP复合物的结构在所有陆地植物中都是相同的，”Pfannschmidt说。叶绿体DNA复制过程的新发现有助于我们更好地理解光合作用机制生物发生的基本机制。它们在未来的生物技术应用中可能也很有价值。

参考文献:“Structure of the multi-subunit chloroplast RNA polymerase” by Paula F.V. do Prado, Frederik M. Ahrens, Monique Liebers, Noah Ditz, Hans-Peter Braun, Thomas Pfannschmidt and Hauke S. Hillen, 29 February 2024, Molecular Cell.