RNA聚合酶是细胞里的“CPU”，它们能“读取”细胞的“硬盘”DNA，随后输出各种生命操作。在复杂的生物细胞里，一共有9种类型“CPU”(细菌细胞CPU、古菌细胞CPU、真核生物细胞核的5类CPU、叶绿体CPU、线粒体CPU)，其他类型“CPU”的构造相继被破解，只剩叶绿体“CPU”之谜未解。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，将最后一块、也是最难的拼图补上。
上海科学家领衔的团队解析了叶绿体基因转录机器的冷冻电镜结构，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”。这一成果于北京时间今天(1日)凌晨登上了国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)的封面。
众所周知，光合作用是地球上最伟大的反应之一。叶绿体则是植物光合作用的场所，也是植物特有的细胞器。叶绿体的光合作用将光能转化为化学能，为地球上生命提供了能量和氧气。
张余研究员介绍，大约15亿年前，原始的真核细胞吞噬了蓝细菌，进化出真核单细胞藻，随后再进化出高等植物。在进化过程中，大部分蓝细菌的基因丢失或者转移至细胞核，形成了小而精的叶绿体基因组。
“叶绿体基因组保留了基因转录、蛋白翻译和光合系统相关蛋白编码基因。”张余告诉记者，“不过，叶绿体基因转录机器的构造依然未知。”八年前张余申请加入分子植物卓越中心时，就将破解“光合能量的转换与调控机制”这道难题设为目标。
研究团队注意到，转录叶绿体基因组的机器一点儿都不简单——其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。这回，科学家们选择的模式植物可谓既熟悉又陌生：烟草。张余解释，这种俗称“大烟草”的模式植物个头大，生物量大，叶绿体基因编辑的遗传转化技术更为成熟。
记者获悉，研究团队首先利用叶绿体转化技术构建了叶绿体转基因烟草，随后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，最终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。
“生命太奇妙了!如果让人去设计，一定设计不出来。”张余赞叹。与原核蓝细菌基因转录机器相比，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。
“催化模块由叶绿体基因组编码，其蛋白亚基起源于蓝细菌；其他模块由细胞核基因组编码，其大部分蛋白亚基起源于真核细胞，在细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装。”张余介绍，这些原核和真核起源的蛋白亚基组成了目前已知最复杂的基因转录机器。
他继续娓娓道来，蓝细菌来源的催化模块包含6个蛋白亚基，其位于复合物的核心层；支架模块包含7个蛋白亚基，它们一方面稳定催化模块，另一方面提供其他模块的结合位点；RNA模块包括1个亚基，能够序列特异性结合RNA，推测可能参与转录关联的RNA加工过程；调控模块包括4个亚基，推测它们参与基因转录机器的活性调控。保护模块包括2个亚基，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。
“超氧化物歧化酶的英文缩写是SOD，相信大家以前都听到过相关的广告词。SOD酶能够将活性超氧阴离子通过反应转化为没有太多活性的过氧化氢。”张余补充道，“这几天是阴天，可在夏季正午时候，日光强烈，此时叶绿体光合作用会产生较多超氧阴离子。有时会影响叶绿体基质，损伤生物大分子。而SOD酶能清除叶绿体基质里的超氧阴离子，帮助适应环境。”
研究团队表示，这项成果在基础研究层面，为进一步探索叶绿体基因转录的工作模式，理解叶绿体的基因表达调控方式打下了基础；而在应用层面，研究为改造叶绿体基因表达调控网络，增加光合作用复合物的基因表达，提高光合作用效率打下了基础。
“提高光合作用复合物基因表达，可以增加作物的生物量，提高作物产量。”张余解释，此外，提高植物的光合作用，理论上可以提高植物固定二氧化碳的能力，增加植物碳汇。
分子植物卓越中心主任、中国科学院院士韩斌表示，光合作用的研究曾获得诺贝尔奖的青睐，解析叶绿体机制和功能是中心的重要突破方向，“最难啃的骨头也最有意义”。期待未来辅以冷冻电镜的“利剑”，助力科研人员冲刺科学制高点。
