叶绿体蛋白调控与植物发育

叶绿体是植物和藻类中特有的细胞器，是光合作用发生的场所，其对地球生态的重要性不言而喻。叶绿体行使完整的功能需要其功能蛋白质正确表达，大多数的叶绿体蛋白质在细胞核中编码，它们以前体的形式在细胞质中合成，因此必须在翻译后被转运到叶绿体内进行加工，负责转运过程的是叶绿体外膜转运蛋白复合体（TOC）。

TOC主要由一个膜通道蛋白Toc75和两个具有GTPase结构域的受体Toc33和Toc159组成。在拟南芥中，两种受体蛋白都有不同的亚型，主要负责对不同底物蛋白的识别。已有研究表明，TOC组分受泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）调控，控制叶绿体蛋白质组的转运合成，影响质体（叶绿体前体）的发育，因此泛素-蛋白酶体系统（UPS）对细胞器功能和植物发育至关重要。但除UPS外， TOC复合体是否受其他调控机制影响，仍然所知不多。
 

叶绿体进化之路（科普图）

2023年5月30日，国际学术期刊EMBO Journal在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心凌祺桦研究组题为”Selective autophagy regulates chloroplast protein import and promotes plant stress tolerance”的研究论文。这项工作揭示了选择性自噬能调控叶绿体特定蛋白的水解，以及负责叶绿体蛋白转运的动态控制，该机制对植物响应逆境非常重要。该工作通过对叶绿体选择性自噬的深入研究，提供了植物分子设计的理论依据，有助于实现农业上的作物改良。【传送门：植物细胞自噬成像背景介绍】
 

 
依赖于泛素化的蛋白酶体降解系统（UPS）和自噬通路，是真核生物中两条保守的蛋白水解途径。研究者首先通过转盘共聚焦显微镜SpinSR对体内的TOC蛋白信号进行观察，在原生质体和植物细胞的液泡中都能观察到该蛋白的自噬信号(图1、2)，这一现象提示TOC组分受到自噬调控。
 

为进一步解析TOC蛋白的自噬降解机制，研究团队通过免疫共沉淀联合质谱（IP-MS）对叶绿体上与ATG8互作的蛋白进行了筛选分析，发现NBR1（Next to BRCA1 gene 1）可能作为自噬受体（或配体），参与叶绿体蛋白的自噬降解。NBR1作为植物中与动物同源的自噬受体被广泛研究，细胞、生理生化和遗传学实验均证明，NBR1不仅在诱导自噬时在叶绿体上富集（图3），同时NBR1可以与TOC蛋白共定位于叶绿体外膜（图4）。NBR1作为选择性自噬受体，能特异识别经泛素修饰的TOC组分，介导其转运到液泡中进行自噬降解（图5）。
 

图3：NBR1富集于叶绿体外膜上

图4：NBR1与TOC蛋白共定位于叶绿体被膜上
 

视频2

结合UV处理植物检测蛋白，电镜观察叶绿体超微结构等一系列生理/生化/细胞实验证据，该研究表明：由NBR1介导的选择性自噬调控可以调节TOC蛋白水平，最终影响了拟南芥叶绿体蛋白的转运、叶绿体的超微结构、光合活性以及对紫外线（UVB）和热胁迫的耐受性，确认了叶绿体自噬在植物体内的复杂调控与响应。

图6：泛素化依赖的TOC蛋白降解模型

在本次研究中，叶绿体相关蛋白的自噬图片均使用Olympus SpinSR活细胞超分辨转盘共聚焦显微成像系统拍摄。Olympus SpinSR系统无需特殊标记手段即可实现低至110nm的XY分辨率，成像速度可达200fps，适合进行快速图像拼接及低光毒性延时成像，更有利于在较大的范围内观察标本或者对活体样品进行长时间观察。

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参考文献：

DOI: 10.15252/embj.2022112534