上海生科院發(fā)現(xiàn)植物三個(gè)光合作用復(fù)合體協(xié)同生成及穩(wěn)定性維持新機(jī)制 5月10日，Cell Discovery 期刊在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所郭房慶研究組的研究論文“PBR1 selectively controls biogenesis of photosynthetic complexes by modulating translation of the large chloroplast gene Ycf1 in Arabidopsis”。該研究發(fā)現(xiàn)高等植物核基因組編碼的RNA結(jié)合蛋白PBR1，通過(guò)調(diào)控葉綠體基因組巨大編碼基因Ycf1在葉綠體中的翻譯效率，進(jìn)而調(diào)節(jié)三個(gè)光合作用復(fù)合體（Photosystem I, cytochrome b6f and NADH dehydrogenase complexes）的協(xié)同生成及穩(wěn)定性的維持。植物光合作用過(guò)程極為復(fù)雜，作為地球上最大規(guī)模利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水同化為有機(jī)化合物的途徑，是地球上絕大部分生命體所需能量和氧氣的來(lái)源。上述三個(gè)復(fù)合體在植物光合作用中與光系統(tǒng)II（PSII）及ATP合酶等復(fù)合體相互配合，在光能轉(zhuǎn)換、電子傳遞及還原力生成等一系列復(fù)雜生理生化反應(yīng)中發(fā)揮決定性作用。上述研究進(jìn)展揭示高等植物多個(gè)光合復(fù)合體的生成過(guò)程不是孤立進(jìn)行的，而是存在選擇性協(xié)同調(diào)控機(jī)制。
葉綠體作為半自主性的細(xì)胞器，其光合復(fù)合體亞基分別由葉綠體基因組和核基因組編碼。因此，探索兩個(gè)基因組之間交流、對(duì)話和協(xié)調(diào)的分子機(jī)制，成為植物光合復(fù)合體生成及穩(wěn)定性維持研究領(lǐng)域一個(gè)持續(xù)的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。繼該研究組RNA結(jié)合蛋白RPS1（Yu et al., 2012）的工作后，為了繼續(xù)探究上述科學(xué)問(wèn)題，博士生楊小飛等研究團(tuán)隊(duì)成員在研究員郭房慶的指導(dǎo)下，開展了相關(guān)RNA結(jié)合蛋白的功能鑒定工作。研究發(fā)現(xiàn)RNA結(jié)合蛋白編碼基因PBR1敲減（knockdown）選擇性地影響三大光合復(fù)合體Photosystem I、 cytochrome b6f 和NADH dehydrogenase的蛋白豐度，抑制光合反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)效率及電子傳遞過(guò)程；在進(jìn)一步的深入研究中，通過(guò)蛋白組和分子標(biāo)記技術(shù)，對(duì)野生型、突變體和兩個(gè)PBR1過(guò)表達(dá)株系的葉綠體差異表達(dá)蛋白進(jìn)行了高通量的質(zhì)譜鑒定和比對(duì)分析，確定葉綠體基因組巨大基因Ycf1所編碼蛋白的翻譯效率受PBR1調(diào)控。后續(xù)系列生化和分子生物學(xué)試驗(yàn)證據(jù)表明，PBR1表達(dá)量下調(diào)導(dǎo)致Ycf1 mRNA與葉綠體核糖體的結(jié)合效率顯著降低，進(jìn)而造成Ycf1蛋白翻譯效率的下降。進(jìn)一步的遺傳互補(bǔ)驗(yàn)證也表明，PBR1通過(guò)調(diào)節(jié)Ycf1的翻譯效率，進(jìn)而調(diào)控三個(gè)光合作用復(fù)合體的協(xié)同生成及穩(wěn)定性的維持。這其中，蛋白互做驗(yàn)證結(jié)果支持Ycf1通過(guò)其CC1結(jié)構(gòu)域與光合復(fù)合體亞基結(jié)合，在三個(gè)光合作用復(fù)合體生成組裝過(guò)程中可能扮演腳手架(scaffold)或“底盤”（platform）的功能。PBR1-Ycf1調(diào)控模型的建立，為人們深入了解細(xì)胞核編碼調(diào)控因子選擇性調(diào)節(jié)葉綠體光合復(fù)合體生成和穩(wěn)定性維持機(jī)制開啟了一個(gè)新的窗口。博士生王玉婷、陳思婷、李記開和沈洪濤等參加了論文的部分研究工作。研究工作中得到了上海生科院植生生態(tài)所研究員米華玲、黃繼榮和計(jì)算生物學(xué)研究所研究員朱新廣等的支持和幫助。
該工作得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目的資助。
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上海生科院發(fā)現(xiàn)植物三個(gè)光合作用復(fù)合體協(xié)同生成及穩(wěn)定性維持新機(jī)制
