葉綠體蛋白調控與植物發育

葉綠體是植物和藻類中特有的細胞器，是光合作用發生的場所，其對地球生態的重要性不言而喻。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（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）的發育，因此泛素-蛋白酶體系統（UPS）對細胞器功能和植物發育至關重要。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在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創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（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拍攝。Olympus SpinSR系統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