揭示葉綠體跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能保守性

（2020.12.7 Plant Biotechnology Journal）

TOC（translocons at the outer envelope membranes of chloroplasts）和TIC（translocons at the inner envelope membranes of chloroplasts）是已知的兩種胞內(nèi)葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，它們形成TOC-TIC超復(fù)合體，并分別在葉綠體外膜和內(nèi)膜上起作用。TOC系統(tǒng)中的亞基保守這一結(jié)論是被廣泛接受的，分別為：識別亞基TOC159和TOC34;通道亞基TOC75。但是TIC的亞基是否保守依然有爭論，有研究人員認(rèn)為基本所有的真核植物都通用一套TOC-TIC通道，TIC在不同的物種中也應(yīng)該是保守的，但是也有不少反對意見。

近日，加州大學(xué)舊金山分校的研究人員整合了轉(zhuǎn)錄組，蛋白組和基因工程手段，發(fā)現(xiàn)在綠藻中（Chlamydomonas reinhardtii），雖然與擬南芥的TIC有著序列和蛋白組成上的不同，但是由葉綠體基因組編碼的蛋白具有保守性，解決了多年以來的爭論。

首先，研究人員通過比對，尋找綠藻和擬南芥同源的TOC-TIC，發(fā)現(xiàn)有不少通道蛋白可以一一對應(yīng)（如TIC56和TIC214），但是TIC20在擬南芥中并未發(fā)現(xiàn)同源基因。接著，他們利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，將綠藻TOC-TIC的mRNA表達(dá)情況和擬南芥的TOC-TIC的mRNA表達(dá)情況進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)物種中的同源基因存在相似的表達(dá)模式。從表達(dá)模式出發(fā)，研究人員發(fā)現(xiàn)，參與合成TOC-TIC的mRNA存在聚類，一類是表達(dá)緊密相關(guān)的（cpA），另一類則沒有出現(xiàn)相關(guān)性（cpB）。

通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究人員認(rèn)為cpA路徑中的基因是保守的，是在形成TOC-TIC復(fù)合體中重要的基因，而另一類參與cpB路徑的基因則是可有可無的。進(jìn)一步，他們借助IP實(shí)驗(yàn)，引出cpA路徑中參與TIC20（核基因組編碼）和TIC214（葉綠體基因組編碼）亞基合成以及和上述兩個(gè)亞基相關(guān)的重要基因。與這些亞基相關(guān)的基因在其他物種中都還沒有報(bào)道，都是一些未被定義的蛋白，同時(shí)這些蛋白的豐度和光照周期有著高度的協(xié)調(diào)性，表明這兩個(gè)亞基和互作的蛋白都是研究人員想找的特殊亞基。

由于TIC20是由核基因組編碼的，在擬南芥中找不到很正常，但是TIC214是葉綠體基因組編碼的，如果說葉綠體基因組保守，那理論上TIC214的功能就應(yīng)該是保守的。所以為了證明TIC214是葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的重要亞基，研究人員突變了一個(gè)細(xì)胞系（Y14）的TIC214（tic214）。該細(xì)胞系有一個(gè)特點(diǎn)，在添加維生素B12之后，只有存在有正常TIC214的細(xì)胞系才能正常建成葉綠體。結(jié)果表明，在失去了正常的tic214后，突變的Y14菌株失去了在培養(yǎng)基上生長的能力，證明TIC214就是研究人員要找的重要亞基。

接著基于以上結(jié)果認(rèn)為，研究人員認(rèn)為參與TOC-TIC路徑的蛋白，如果由核基因組編碼，就可能存在差異，但是由葉綠體基因組編碼的蛋白可能都是保守的，比如TIC214。PBJ認(rèn)為這項(xiàng)工作非常有意義，它從基因表達(dá)，蛋白，亞基組成等不同角度，對葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的過程進(jìn)行層層剖析，得出的結(jié)論也從一定程度上佐證“葉綠體可能是被另一物種吞噬之后逐漸演變成細(xì)胞器”這一假說。