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质体编码的RNA聚合酶是叶绿体内的主要转录机制，转录80%以上的原生质体转录物。这种聚合酶由一种被称为质体编码RNA聚合酶核心的原核样核心酶组成，并由新进化的相关蛋白（称为pap）补充。然而，质体编码RNA聚合酶的结构和pap的可能功能仍然未知。
2024 年 11 月 13 日，山东农业大学卢从明联合中国科学院大学于龙江共同通讯在 Nature Communications （IF=14.7）在线发表题为 “Architecture of the spinach plastid-encoded RNA polymerase” 的研究论文。该研究展示了来自菠菜（Spinacia oleracea）的19个亚基质体编码RNA聚合酶复合物的低温电镜结构。
结构表明，该质体编码的RNA聚合酶核心类似于细菌的RNA聚合酶。12个pap和另外两个蛋白（FLN2和pTAC18）结合在质体编码RNA聚合酶核心的外围，形成广泛的相互作用，可能促进复合物的组装和稳定性。pap还可以保护复合物免受氧化损伤，并在转录调节中具有潜在的功能。该研究为今后研究质体基因转录的功能和调控机制提供了结构基础。
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叶绿体是绿色真核生物的光合细胞器，在捕获阳光并将其转化为能量方面起着至关重要的作用。它们拥有自己的基因组，这是真核细胞和光合蓝藻之间的内共生事件的残余。残留的叶绿体基因组相对较小，仅编码典型叶绿体中约3500-4000个蛋白质中的75-85个。然而，叶绿体基因的正确表达对叶绿体的生物发生和植物的生长发育至关重要。叶绿体基因通过两种不同类型的RNA聚合酶进行转录：核编码聚合酶（NEP），类似于T3-T7噬菌体型RNA聚合酶；质体编码聚合酶（PEP），一种细菌型多亚基聚合酶。PEP是叶绿体的主要转录机制，主要转录与光合作用相关的基因。在藻类和陆生植物中，PEP表现出类似细菌的RNA聚合酶起源，其催化核心遗传自其蓝藻内共生祖先。该核心由2个α亚基、1个β亚基、1个β’亚基和1个β’亚基（2αββ’β”）组成，分别由质体基因rpoA、rpoB、rpoC1和rpoC2编码。在烟草（Nicotiana tabacum）中，缺乏任何这些Rpo蛋白的基因敲除突变体表现出白化或淡黄色表型，并由于叶绿体发育受损而导致幼苗死亡，这强调了Rpo亚基在叶绿体生物发生中的不可或缺的作用。PAP6–PAP101 和 PAP13–PAP102 异二聚体的氧化还原簇（图源自Nature Communications）
尽管遗传证据指向PEP核心的原核结构，但从植物叶绿体中进行PEP的生化纯化发现了比最初想象的更多的亚基。事实上，已经鉴定出12种不同的PEP相关蛋白（PAP1-PAP12）和另外两种蛋白（frutokinase - like 2 [FLN2]和PLASTID TRANSCRIPTIONALLY ACTIVE 18 [pTAC18]）与PEP核心紧密相关。遗传学研究也表明，任何这些PAP蛋白的功能丧失通常会导致白化或淡黄色表型，并严重损害PEP介导的转录，强调这些PAP对于PEP活性至关重要，揭示了PEP复合物的复杂组织，并表明PAP在复合物中具有重要的结构作用。虽然PEP复合物的组成已经被揭示，但其精确的三维结构和可能的功能仍然未知。在这里，作者展示了从菠菜（Spinacia oleracea）中分离的PEP复合物的冷冻电镜（cryo-EM）结构。该研究结果揭示了叶绿体转录装置的结构，为进一步研究叶绿体转录的分子机制和功能提供了结构基础。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54266-2![]()
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