RNA聚合酶，比喻性地称为细胞中的CPU，调节将遗传信息DNA转录为RNA的整个过程。 到目前为止，在细菌域、古细菌域和真核域三个域中共有9种类型的RNA聚合酶，其中最大、最复杂的“叶绿体RNA聚合酶”尚未成功解决，这是科学界几十年来亟待解开的一大谜团。 今天，中国科学家已经成功地解开了这个谜团。 3月1日，国际顶级学术期刊《细胞》封面为“叶绿体RNA聚合酶”的结构图，本期封面文章为《植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜的结构》，由中国科学院分子植物科学卓越中心张宇研究团队和华中农业大学周飞研究团队完成。 本研究分析了叶绿体基因转录机的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机的“组装部件”、“组装模式”和“功能模块”。
研究成果发表在国际顶级期刊《细胞》封面上。
据研究员张宇介绍，叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，为地球上的生命提供能量和氧气，是地球环境的重要塑造者。 15亿年前，原核蓝藻被真核细胞吞噬，最终进化成今天的植物叶绿体。 在这个过程中，蓝藻的基因组基因不断转移到细胞核上，最终形成一个“小而精细”的叶绿体基因组，但转录叶绿体基因组的机器一点也不简单。 在原核蓝藻基因转录机的基础上，它配备了许多独特的功能模块，然后其“体型”变为原来的25倍，“组装件”数量是原来的3倍。 然而，这些模块在原核蓝藻中几乎没有“原型”，其中大部分是从真核细胞中“借来”的。 多年的研究表明，叶绿体基因转录机制控制着叶绿体的发育过程和成熟叶绿体的基因表达，在调控植物光合作用中起着关键作用，但叶绿体基因转录机制的结构仍未知。
2016年，张教授的研究团队开始挑战这一全球性问题。 “叶绿体RNA聚合酶是一种独特的植物细胞CPU，它调控80%的叶绿体基因，负责叶绿体的发育和功能。 如果能够解析叶绿体RNA聚合酶的结构，无疑将打开叶绿体基因转录领域的大门。 凭着对自然的好奇心和探究精神，张宇坚持探索了8年。 他表示，之所以能坚持下来，是因为分子植物科学卓越中心多年来营造的氛围，让年轻人才能够专心致志地钻研坚硬的骨头。
叶绿体基因转录蛋白机制构建。
研究团队首先利用叶绿体转化技术构建了叶绿体转基因烟草，然后通过亲和纯化获得了完整的叶绿体基因转录蛋白复合物，最后通过单颗粒冷冻电子显微镜成功解析了叶绿体基因转录机结构。 与原核蓝藻基因转录机相比，叶绿体基因转录机共有20个“组装部件”（蛋白质亚基），由催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块五个功能模块组成，其中催化模块由叶绿体基因组编码，其蛋白质亚基来源于蓝藻。 其他模块由核基因组编码，其大部分蛋白质亚基起源于真核细胞，并在细胞质翻译后转运到叶绿体进行组装。 这些原核和真核起源的蛋白质亚基构成了目前已知的最复杂的基因转录机制。
蓝藻**的催化模块含有6个蛋白质亚基，位于复合物的核心层; 支架模块包含7个蛋白质亚基，一方面稳定催化模块，另一方面为其他模块提供结合位点; 保护模块包括 2 个亚基，它们充当超氧化物歧化酶，保护它们免受叶绿体中超氧化物的氧化侵蚀; RNA模块包括一个亚基，可以特异性地将RNA与RNA结合，并推测它可能参与转录结合的RNA加工。 调控模块包括 4 个亚基，推测它们参与基因转录机制活性的调控。
研究员张宇在实验室检查样品。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越中心主任韩斌认为，在基础研究层面，本研究为进一步探索叶绿体基因转录机制的工作模式、了解叶绿体的基因表达调控模式、 并修改叶绿体基因表达调控网络。本研究为提高光合作用系统基因表达水平提供了新的思路，有望提高植物光合作用效率，增加碳汇。 此外，在合成生物学应用层面，本研究为提高植物叶绿体生物反应器的效率提供了起点，有助于重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。
**文中由中国科学院分子植物科学卓越中心提供）。
* 人民**客户上海频道 |作者：黄晓辉。
编辑：高晨辰。
流程编辑：马晓双。