葉綠體蛋白調(diào)控與植物發(fā)育

葉綠體是植物和藻類中特有的細(xì)胞器，是光合作用發(fā)生的場所，其對地球生態(tài)的重要性不言而喻。葉綠體行使完整的功能需要其功能蛋白質(zhì)正確表達(dá)，大多數(shù)的葉綠體蛋白質(zhì)在細(xì)胞核中編碼，它們以前體的形式在細(xì)胞質(zhì)中合成，因此必須在翻譯后被轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體內(nèi)進(jìn)行加工，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的是葉綠體外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體（TOC）。

TOC主要由一個膜通道蛋白Toc75和兩個具有GTPase結(jié)構(gòu)域的受體Toc33和Toc159組成。在擬南芥中，兩種受體蛋白都有不同的亞型，主要負(fù)責(zé)對不同底物蛋白的識別。已有研究表明，TOC組分受泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）調(diào)控，控制葉綠體蛋白質(zhì)組的轉(zhuǎn)運(yùn)合成，影響質(zhì)體（葉綠體前體）的發(fā)育，因此泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）對細(xì)胞器功能和植物發(fā)育至關(guān)重要。但除UPS外， TOC復(fù)合體是否受其他調(diào)控機(jī)制影響，仍然所知不多。
 

葉綠體進(jìn)化之路（科普圖）

2023年5月30日，國際學(xué)術(shù)期刊EMBO Journal在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心凌祺樺研究組題為”Selective autophagy regulates chloroplast protein import and promotes plant stress tolerance”的研究論文。這項(xiàng)工作揭示了選擇性自噬能調(diào)控葉綠體特定蛋白的水解，以及負(fù)責(zé)葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的動態(tài)控制，該機(jī)制對植物響應(yīng)逆境非常重要。該工作通過對葉綠體選擇性自噬的深入研究，提供了植物分子設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的作物改良。【傳送門：植物細(xì)胞自噬成像背景介紹】
 

 
依賴于泛素化的蛋白酶體降解系統(tǒng)（UPS）和自噬通路，是真核生物中兩條保守的蛋白水解途徑。研究者首先通過轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡SpinSR對體內(nèi)的TOC蛋白信號進(jìn)行觀察，在原生質(zhì)體和植物細(xì)胞的液泡中都能觀察到該蛋白的自噬信號(圖1、2)，這一現(xiàn)象提示TOC組分受到自噬調(diào)控。
 

為進(jìn)一步解析TOC蛋白的自噬降解機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過免疫共沉淀聯(lián)合質(zhì)譜（IP-MS）對葉綠體上與ATG8互作的蛋白進(jìn)行了篩選分析，發(fā)現(xiàn)NBR1（Next to BRCA1 gene 1）可能作為自噬受體（或配體），參與葉綠體蛋白的自噬降解。NBR1作為植物中與動物同源的自噬受體被廣泛研究，細(xì)胞、生理生化和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)均證明，NBR1不僅在誘導(dǎo)自噬時在葉綠體上富集（圖3），同時NBR1可以與TOC蛋白共定位于葉綠體外膜（圖4）。NBR1作為選擇性自噬受體，能特異識別經(jīng)泛素修飾的TOC組分，介導(dǎo)其轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中進(jìn)行自噬降解（圖5）。
 

圖3：NBR1富集于葉綠體外膜上

圖4：NBR1與TOC蛋白共定位于葉綠體被膜上
 

視頻2

結(jié)合UV處理植物檢測蛋白，電鏡觀察葉綠體超微結(jié)構(gòu)等一系列生理/生化/細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證據(jù)，該研究表明：由NBR1介導(dǎo)的選擇性自噬調(diào)控可以調(diào)節(jié)TOC蛋白水平，最終影響了擬南芥葉綠體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)、光合活性以及對紫外線（UVB）和熱脅迫的耐受性，確認(rèn)了葉綠體自噬在植物體內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控與響應(yīng)。

圖6：泛素化依賴的TOC蛋白降解模型

在本次研究中，葉綠體相關(guān)蛋白的自噬圖片均使用Olympus SpinSR活細(xì)胞超分辨轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微成像系統(tǒng)拍攝。Olympus SpinSR系統(tǒng)無需特殊標(biāo)記手段即可實(shí)現(xiàn)低至110nm的XY分辨率，成像速度可達(dá)200fps，適合進(jìn)行快速圖像拼接及低光毒性延時成像，更有利于在較大的范圍內(nèi)觀察標(biāo)本或者對活體樣品進(jìn)行長時間觀察。

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參考文獻(xiàn)：

DOI: 10.15252/embj.2022112534