在遗传信息表达的过程中，基因转录机器发挥着至关重要的作用。储存在DNA中的遗传信息就像数据存储在硬盘中，什么时间去读取，读取强度是多少，如何整合各方面信号来读取数据、输出指令，从而将遗传信息从DNA传递到RNA中去，都要依靠基因转录机器（一种RNA聚合酶），它也因此常被人们比作“细胞里的CPU”。多年研究表明，叶绿体基因转录机器控制叶绿体的发育过程，以及叶绿体发育成熟后的基因表达，在调控植物光合作用中发挥关键角色，但由于其结构的复杂性，此前未被科学家完全解读。

Cell封面

3月1日，国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成的题为“植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜结构”（Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase）的封面文章。该研究揭示了叶绿体基因转录机器的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”，成功获得其三维结构。叶绿体基因转录机器是目前已知最复杂的基因转录机器。

15亿年前，可以进行光合作用的原核蓝细菌被真核细胞吞并，慢慢地演变成共生的细胞器，最终演化为如今的植物叶绿体。在漫长的生物进化过程中，蓝细菌的基因组基因或被转移至细胞核，或被丢失，最终在叶绿体中留下了仅含有100多个基因的基因组，负责执行光合作用、保障叶绿体正常运转等重要功能。

研究团队利用叶绿体转化技术，在烟草叶绿体基因转录机器上引入特征性的“捕获标签”，构建了叶绿体转基因烟草，再通过亲和纯化的方式获得完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，从而提取出纯度较高的样本。利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了叶绿体基因转录机器构造，拆解了其“装配部件”“装配模式”和“功能模块”。

叶绿体基因转录蛋白质机器构造

研究发现，在原核蓝细菌基因转录机器的基础上，叶绿体的基因转录机器“装配”了多个独特的功能模块，其“身形”变为原来的2.5倍，“装配部件”数量变为原来的3倍。这些模块大多并不源自原核蓝细菌，而是源自真核细胞。叶绿体基因转录机器一共具有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了5个功能模块（催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块），它们像俄罗斯套娃一样进行装配。起源于蓝细菌的催化模块位于“核心层”，由叶绿体基因组编码，包含6个蛋白亚基。其他模块大多源自真核细胞，由细胞核基因组编码，在细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装。7个蛋白亚基位于“中间层”，组成支架模块，它们向内稳定催化模块，向外提供其他模块的结合位点。还有7个蛋白亚基位于“最外层”，其中两个蛋白亚基组成保护模块，它们具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击；1个蛋白亚基形成RNA模块，能够序列特异性结合RNA，研究推测其可能参与转录关联的RNA加工过程；调控模块包括4个蛋白亚基，研究推测它们参与基因转录机器的活性调控。

在基础研究层面，本研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式，以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。在合成生物学应用层面，本研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，可助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。在“碳达峰”和“碳中和”的目标下，本研究为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳汇。

本项目受到科技部重点研究计划、中国科学院先导科技专项（B类）项目和上海市基础研究特区计划的资助。

作者：农民日报·中国农网记者 姚媛