藻類和植物的葉綠體是通過光合作用將太陽能轉化為化學能的細胞引擎。 這些由兩層膜包裹的細胞器包含它們自己的基因組,其表達與核基因組的表達緊密協調。 大多數葉綠體蛋白由核基因編碼,在胞質溶膠中翻譯為前體蛋白,其氨基末端含有轉運序列,作為進入葉綠體的入場券。
蛋白質輸入葉綠體是由兩種膜蛋白複合物介導的,分別位於外包膜和內包膜中,稱為 TOC 和 TIC。 這些複合物起著關鍵作用 葉綠體 生物發生,在光合作用裝置的組裝和各種代謝途徑中。 TOC 和 TIC 的不同蛋白質亞基已被鑑定和表徵,並且 TOC 和 TIC 已被發現共同形成一個超複合物。 然而,TOC 和 TIC 的不同蛋白質如何組裝在一起形成蛋白質轉運穿過葉綠體包膜的通道尚不清楚,並且 TOC 和 TIC 內的蛋白質轉運途徑仍然難以捉摸。
在網上發表的一項研究中 性質中科院生物物理研究所劉振峰課題組與瑞士日內瓦大學Jean-David Rochaix教授合作,提供了期待已久的分子成分、三維組織和潛在蛋白質的見解來自名為萊茵衣藻的單細胞綠藻的 TOC-TIC 超複合物的易位途徑。
研究人員通過冷凍電子顯微鏡闡明了 TOC-TIC 超複合物的超分子結構。
在這個超級複合體中發現了十三個不同的蛋白質亞基。 除了由葉綠體基因組編碼的 Tic214 外,所有其他亞基都是核編碼的。 它們組裝成外膜中的 TOC 複合體、膜間空間複合體 (ISC) 和內膜中的 TIC 複合體。 值得注意的是,發現最大的膜蛋白 Tic214 跨越內膜、膜間隙和外膜,將其他膜蛋白連接起來 蛋白質 亞基就像一座橋,很可能也充當腳手架。
外膜中的 TOC 複合體主要由 Toc34、Toc90 和 Toc75 組成,Toc90 側的兩側是 Ctap4-Ctap3 複合體。 混合桶形 渠道 由 Toc90 和 Toc75 組成 外膜. 該通道包含一個位於胞質側的入口和兩個朝向膜間隙的出口,以及一個面向細胞質側的側門 脂質雙分子層. 植酸(也稱為六磷酸肌醇/InsP6)分子嵌入 Toc90 和 Tic214 之間的界面,像楔子一樣穩定它們的組裝。
Tic214、Tic100、Tic56、Ctap3 和 Ctap5 的膜間空間域相互交織,形成連接 TOC 和 TIC 的塔狀結構。 在裡面 內膜,Tic214、Tic20、Ctap5 和三個小亞基(名為 Simp1、Simp2 和 Simp3)的膜嵌入結構域形成了 TIC 複合體。 四個脂質分子用於穩定位於 Tic214 和 Tic20 之間界面的漏斗狀通道的組裝,並防止通道洩漏。
基於結構數據,研究人員詳細分析了 TOC 和 TIC 通道內部的孔隙特徵。 他們能夠通過分子動力學模擬預測轉運肽和 TIC 複合物之間的相互作用。
在對由表面凹槽連接的兩個通道孔的觀察以及之前的生化和功能報告的支持下,提出了多種途徑來解釋不同前體蛋白通過 TOC-TIC 超複合物易位到不同的局部葉綠體隔室。