解读“生命天书”,我国科学家成功破解世界性难题-北极星网

解读“生命天书”,我国科学家成功破解世界性难题

极目新闻记者 邹浩

通讯员 蒋朝常 张烜煜

叶绿体基因组编码RNA聚合酶(PEP),控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达,在调控植物光合作用中发挥关键角色,然而这一叶绿体基因转录机器的构造一直未能破解,这是科学界公认的世界性难题。

3月1日,国际学术期刊《细胞》在线发表了由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完成的这项研究论文,并作为封面文章、封面图片展现了叶绿体基因“转录机器”——叶绿体PEP极其复杂的构造,填补了“生命天书”中一项研究空白。

叶绿体基因“转录机器”——叶绿体PEP的复杂构造

“地球上生命有三种形式:细菌、古菌和真核生物,每一种生命形式的基因转录机器构造都不相同。叶绿体PEP构造的成功解析,填补了这个拼图的最后一个空白。”张余研究员说。

“转录”是“生命天书”特有的阅读方式。生命的遗传信息写在DNA上,首先要被转录为RNA,才能被翻译成蛋白质,最终实现生命的各种功能。

叶绿体是植物光合作用的场所。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,最后进化出高等植物。叶绿体PEP作为叶绿体DNA的“转录机器”,负责叶绿体的发育和其功能发挥。漫长的进化过程,让叶绿体PEP构造变得十分复杂,一直不为人们所知。

张余和周菲两个研究团队紧密合作,利用叶绿体转化技术,在烟草叶绿体基因转录机器上引入特征性的“捕获标签”,通过纯化烟草内源的叶绿体基因转录机器,利用单颗粒冷冻电镜技术,最终解开了PEP的真面目。

叶绿体的进化

基于烟草叶绿体基因组,构建稳转遗传植株

叶绿体基因转录机器的三维结构

叶绿体基因转录机器的构造

周菲副教授于2010年底从德国马普分子植物生理所博士后出站,加入华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良国家重点实验室。2019年,周菲副教授在导师德国科学院院士Ralph Bock的牵线下,与张余研究团队展开合作。

周菲副教授告诉极目新闻记者,这个课题的一个瓶颈就是叶绿体的PEP复合体在植物里面的量很低,所以利用传统的方法很难纯化出来,也就没有办法进一步解析结构。叶绿体转化技术有很多优点,其中一个是可以通过同源重组可以实现DNA片段的定点插入。因此利用该技术,研究团队就能够在PEP的基因序列中加上一段DNA序列作为标签,再通过亲和纯化的方式,把PEP从复杂的组分中“拉”出来,从而获得叶绿体基因转录蛋白质复合物。当然,有了带标签的叶绿体转化植株,后面还需要建立稳定的纯化流程,在2022年才最终建立了该流程,突破了PEP蛋白获取瓶颈。

国际同行认为,该研究是细胞器转录领域的重大突破之一。在基础研究层面,该研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式、以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。在合成生物学应用层面,该研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点,助力重组疫苗、重组蛋白药物、和天然产物的生产。在“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标下,该研究为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路,助力植物高效碳汇。