TOC-TIC将核基因编码的蛋白转运进叶绿体 西湖大学供图

TOC-TIC超级复合物的工作模型 西湖大学供图

11月21日，西湖大学特聘研究员闫浈实验室在《细胞》杂志发表研究论文，揭开了叶绿体蛋白转运之谜——蛋白进入叶绿体需要经过TOC-TIC复合物，如同穿过“工厂大门”，他们首次解析了TOC-TIC复合物的完整清晰结构，让人们第一次看到了“守门人”的样子。

扫码进车站、扫码进公司、扫码进学校……过去三年，扫码进入公共区域是我们日常生活的一部分。如同平行宇宙，在叶绿体上也存在着惊人相似的场景。叶绿体作为光合作用重要场地，是一个“光能工厂”，有2000至3000种蛋白需要被识别然后进入叶绿体“工作”。那么，这扇“大门”长啥样？又是如何运行的？业内争论了近四十年。

此前，科学界已经知道叶绿体是双膜结构，内膜上存在转运因子TIC，外膜上存在转运因子TOC，它们联合形成一个超级复合物TOC-TIC，作为蛋白进入叶绿体的“大门”。虽然这个领域已经研究了近四十年，但是仍有很多核心问题尚未被解决。比如，TIC到底是由哪些组分组成？而TOC和TIC又是如何形成超级复合物来行使“大门”的功能？由于不知道TOC-TIC复合物的全貌，大家的研究就好像“盲人摸象”，各执一词。

闫浈带领的膜蛋白结构与功能实验室利用生物化学和结构生物学的方法来揭示TOC-TIC复合物的组成、组装和转运机制。通过对前人研究成果的分析归纳，实验室选择了克莱因衣藻的TOC-TIC超级复合物为研究对象，在两个已被确认并在不同物种中高度保守的TOC（Toc34）和TIC（Tic20）组分上分别加亲和标签进行纯化。

可以通俗地理解为，实验室设置了两组实验，一组通过前人已经确认的“象耳朵”来牵出完整的大象，一组通过“象尾巴”来牵出大象。也就是在特定的叶绿体样本中，通过亲和标签把TOC-TIC复合物精确找到，并纯化出来。思路看起来很简单，但实验过程需要克服非常多的困难，需要排除各种干扰因素，同时不能破坏TOC-TIC复合物的结构。令人激动的是，最终这两种不同策略所纯化出来的蛋白质组分完全一致，并且解析出来的电镜结构也高度一致。此后的多重实验也相继验证，TOC-TIC超级复合物终于被找到，并且被精确识别出来。

在闫浈实验室的三维软件里，叶绿体“大门”——TOC-TIC的立体结构呈现了出来。这个克莱因衣藻叶绿体上的TOC-TIC超级复合物，分辨率达到2.5?，清晰地展示了TOC-TIC各组分的高分辨结构与组装模式。它一共包含14个组分，其中8个为之前已报道的组分，6个为功能未知的新组分。结合前人理论，在双层的叶绿体膜上，这个重要的通道如同检查健康码的守门人一样，让蛋白带着转运信号肽一个个“扫码”入场。比如能否让“大门”提高效率加速放行？能否让“守门人”为 “特种工人”放行？能否以“守门人”为模板再人造出形形色色的“守门人”？

一位审稿人评价说：该研究用纯化并解析结构这个“终极手段”解决了光合物种叶绿体生物学的一个核心问题，为增进理解和认识藻类、植物叶绿体如何发展进化迈出了一大步。因为叶绿体生物学对食品安全与气候变迁的潜在影响，以及对蛋白如何转运这种问题的基础性，该研究也为其他非特定领域的科学家们带来了非常有价值的信息。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.030