葉綠體蛋白調控與植物發(fā)育

葉綠體是植物和藻類中特有的細胞器，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正確表達，大多數的葉綠體蛋白質在細胞核中編碼，它們以前體的形式在細胞質中合成，因此必須在翻譯后被轉運到葉綠體內進行加工，負責轉運過程的是葉綠體外膜轉運蛋白復合體（TOC）。

TOC主要由一個膜通道蛋白Toc75和兩個具有GTPase結構域的受體Toc33和Toc159組成。在擬南芥中，兩種受體蛋白都有不同的亞型，主要負責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）調控，控制葉綠體蛋白質組的轉運合成，影響質體（葉綠體前體）的發(fā)育，因此泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）對細胞器功能和植物發(fā)育至關重要。但除UPS外， TOC復合體是否受其他調控機制影響，仍然所知不多。
 

葉綠體進化之路（科普圖）

2023年5月30日，國際學術期刊EMBO Journal在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(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。這項工作揭示了選擇性自噬能調控葉綠體特定蛋白的水解，以及負責葉綠體蛋白轉運的動態(tài)控制，該機制對植物響應逆境非常重要。該工作通過對葉綠體選擇性自噬的深入研究，提供了植物分子設計的理論依據，有助于實現農業(yè)上的作物改良。【傳送門：植物細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。研究者首先通過轉盤共聚焦顯微鏡SpinSR對體內的TOC蛋白信號進行觀察，在原生質體和植物細胞的液泡中都能觀察到該蛋白的自噬信號(圖1、2)，這一現象提示TOC組分受到自噬調控。
 

為進一步解析TOC蛋白的自噬降解機制，研究團隊通過免疫共沉淀聯合質譜（IP-MS）對葉綠體上與ATG8互作的蛋白進行了篩選分析，發(fā)現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，細胞、生理生化和遺傳學實驗均證明，NBR1不僅在誘導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，能特異識別經泛素修飾的TOC組分，介導其轉運到液泡中進行自噬降解（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

結合UV處理植物檢測蛋白，電鏡觀察葉綠體超微結構等一系列生理/生化/細胞實驗證據，該研究表明：由NBR1介導的選擇性自噬調控可以調節(jié)TOC蛋白水平，最終影響了擬南芥葉綠體蛋白的轉運、葉綠體的超微結構、光合活性以及對紫外線（UVB）和熱脅迫的耐受性，確認了葉綠體自噬在植物體內的復雜調控與響應。

圖6：泛素化依賴的TOC蛋白降解模型

在本次研究中，葉綠體相關蛋白的自噬圖片均使用Olympus SpinSR活細胞超分辨轉盤共聚焦顯微成像系統(tǒng)拍攝。Olympus SpinSR系統(tǒng)無需特殊標記手段即可實現低至110nm的XY分辨率，成像速度可達200fps，適合進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觀察標本或者對活體樣品進行長時間觀察。

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參考文獻：

DOI: 10.15252/embj.2022112534