在植物的微观世界里，有一个至关重要的“基因打印机”——叶绿体RNA聚合酶（PEP）。它在植物的光合作用过程中发挥着核心作用，而光合作用又是整个生态系统能量循环的起点。2024年，《Cell》杂志上发表的两篇研究文章，为我们揭开了PEP的神秘面纱，让我们得以一窥其精细结构和复杂功能。
PEP的结构与功能
核心与外围：协同工作的精妙组合
英国约翰应纳斯研究中心Michael W. Webster团队对白芥菜的PEP进行了深入研究。他们发现，PEP是一个复杂的多亚基复合体，由叶绿体编码的RNA聚合酶核心亚基和一系列核编码的PEP相关蛋白（PAPs）组成。这些PAPs紧密地包裹在核心亚基周围，不仅起到保护作用，还参与了PEP的组装和稳定。这种结构上的紧密联系，使得PEP能够高效地执行其转录功能。
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则进一步细化了PEP的结构组成。他们将PEP分为一个催化核心和四个外围模块：支架模块、RNA模块、保护模块和调控模块。支架模块如同建筑的脚手架，为整个复合体提供了稳定的支撑；RNA模块则负责识别和处理新合成的RNA，确保转录过程的顺利进行；保护模块含有超氧化物歧化酶（SOD）活性，能够有效抵御氧化损伤，保护PEP免受活性氧的破坏；调控模块则可能通过与催化核心的相互作用，精细调控转录活性，就像一个智能控制器，根据细胞内外的信号调整PEP的工作状态。
在转录过程中，PEP的核心亚基负责识别DNA模板上的启动子序列，并开始合成RNA。PAPs在这个过程中扮演了多重角色。例如，PAP1和PAP2分别含有DNA结合的SAP结构域和RNA结合的PPR结构域，它们能够直接与DNA或新合成的mRNA相互作用，从而影响转录的起始、延伸和终止。这种精确的调控机制确保了基因表达的准确性和适应性，使植物能够在不同的环境条件下，灵活地调整自身的生理活动。
从进化的角度来看，PEP的研究还揭示了植物从水生藻类到陆生植物的转变过程。在这一过程中，PAPs的出现和功能分化起到了关键作用。早期的藻类植物主要依赖于细菌型的RNA聚合酶进行基因转录，而随着植物逐渐适应陆地生活，核编码的PAPs逐渐演化出来，与原有的RNA聚合酶核心亚基协同工作，形成了更加复杂和高效的PEP复合体。这种结构和功能上的演变，使得植物能够更好地应对陆地环境中的各种挑战，如干旱、高温、紫外线辐射等，从而在地球上广泛繁衍。
文章链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00103-X
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00063-1
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