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叶绿体是植物光合作用和光自养生长所必需的基本细胞器。叶绿体以自身的遗传物质，逐渐转移到细胞核中，自身仅保留编码100多个蛋白的基因组。而多达2000到3000种叶绿体蛋白，由细胞核中的基因编码，并在细胞质中翻译成为前体蛋白，再运输到叶绿体中去。在一个植物细胞内部，有2000到3000种前体蛋白需要进入叶绿体，叶绿体到底是怎样精确识别这些蛋白的呢？
众所周知，叶绿体是双膜结构，内膜上存在转运因子TIC，外膜上存在转运因子TOC，它们联合形成一个超级复合物TOC-TIC，TOC和TIC复合体是促进核基因组编码前蛋白穿过叶绿体两个包膜的重要转位子，但它们的确切分子身份和组装尚不清楚。
2022年11月21日，西湖大学闫浈课题组在Cell 杂志在线发表题为“Structure of a TOC-TIC supercomplex spanning two chloroplast envelope membranes”的研究论文，该研究报道了衣藻TOC-TIC超络合物的冷冻电子电镜结构，共包含14个确定的成分。TOC的前蛋白传导孔是Toc120和Toc75共组装的杂交β-桶状蛋白，而TIC的潜在易位路径是由Tic20和YlmG的跨膜螺旋形成的，而不是Tic110的经典模型。刚性膜间空间(intermembrane space, IMS)支架连接了两个叶绿体膜，IMS支架上的一个大亲水性裂口连接了TOC和TIC，形成了前体蛋白易位的途径。这项研究为TOC-TIC超复合物的组成、组装和前蛋白易位机制提供了结构性的见解，并为解释这一基本易位子的进化保守性和多样性奠定了基础。
据估计，2000-3000个蛋白质在细胞质中合成时需要作为前体蛋白(前蛋白)运输到叶绿体中，其中含有引导它们到达叶绿体的N端转运肽。TOC(叶绿体外膜转座子)和TIC(叶绿体内膜转座子)复合物是介导前蛋白跨叶绿体外包膜(outer envelope membrane, OEM)和内包膜(inner envelope membrane, IEM)输入的前蛋白转座机制。因此，TOC和TIC在叶绿体的生物发生和内稳态中起着不可或缺的作用。TOC和TIC成分的缺陷导致植物严重的表型，如胚胎致死或白化。在过去的30年里，豌豆和拟南芥的生化、遗传和生理数据使TOC和TIC的许多成分得以鉴定。TOC由三个共识组成:Toc75，Toc159家族成员(Toc159/Toc132/ Toc120/Toc90)和一个Toc34家族成员(Toc34/Toc33) 。TOC-TIC将核基因编码的蛋白转运进叶绿体（图源自Cell ）TIC的经典模型包含Tic110作为核心组件，还包括Tic62、Tic55、Tic40、Tic32、Tic22、Tic21和Tic20。有人认为，Tic110具有形成广泛跨膜结构的能力，并作为TIC的中心成孔成分。在两种TIC模型中，Tic20作为通用TIC复合体的共识成分脱颖而出。TOC和TIC在功能上类似于线粒体内外膜上的TOM和TIM复合体。然而，系统发育分析只揭示了一种遥远的关系，暗示了两个系统的趋同进化。此外，尽管TOM和TIM倾向于作为独立的复合物工作，但TOC和TIC可以在两个叶绿体膜上形成一个超复合物。完整的TOC-TIC超复合体缺乏高分辨率结构，阻碍了对这一基本蛋白质易位机制的分子理解。该研究报道了莱因衣藻TOC-TIC超复合物在2.5A˚的平均分辨率下的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构。这个克莱因衣藻叶绿体上的TOC-TIC超级复合物，分辨率达到2.5Å，清晰地展示了TOC-TIC各组分的高分辨结构与组装模式。它一共包含14个组分，其中8个为之前已报道的组分，6个为功能未知的新组分。图2. TOC-TIC超级复合物电镜结构（图源自Cell ）通过对TOC-TIC超复合体的进化分析表明，构成前蛋白易位路径的TOC和TIC的核心成分高度保守，尽管一些负责连接TOC和TIC的IMS成分可能具有不同的形式。这很可能TOC和TIC在超复合体形成之前是分别进化的。图3. TOC-TIC超级复合物电镜结构（图源自Cell ）综上所述，这项工作研究的TOC-TIC复合物对叶绿体的生成以及稳态至关重要，理解清楚其结构和工作机理将为未来潜在的对叶绿体乃至光合生物的改造奠定重要基础。未来对来自其他植物有机体的TOC-TIC超复合体的结构研究，将能够更全面地比较物种间的异同，从而更好地理解叶绿体中这一基本蛋白质转运机制的进化。论文的一位匿名审稿人评价道：“该研究用纯化并解析结构这个‘终极手段’解决了光合物种叶绿体生物学的一个核心问题。该研究为增进理解和认识藻类、植物叶绿体如何发展进化迈出了一大步。因为叶绿体生物学对食品安全与气候变迁的潜在影响，以及对蛋白如何转运这种问题的基础性，该研究也为其他非特定领域的科学家们带来了非常有价值的信息。”西湖大学特聘研究员闫浈为本文通讯作者。西湖大学博士后金泽宇、西湖实验室开拓学者万里为本文共同第一作者。西湖大学吴建平、李小波，北京生命科学研究所董梦秋、曹勇，清华大学潘俊敏、李学成等参与了课题合作。该项研究得到西湖大学冷冻电镜平台，西湖大学高性能计算平台，西湖大学质谱平台的大力支持。本工作获得了西湖大学、西湖实验室的经费支持。闫浈课题组利用生物化学、结构生物学等多种技术手段，研究重要蛋白复合物的结构与机理，如叶绿体发生发育与稳态相关蛋白的结构与功能。课题组招收具有生物化学、结构生物学、分子生物学等背景的博士后、科研助理；招收本科、硕士起点的博士研究生；同时，欢迎优秀的本科生前来做毕业设计。课题组将根据成员的背景和职业规划量身定制培养计划，旨在培养优秀的科研人才。https://www.westlake.edu.cn/faculty/zhen-yan.htmlhttps://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01376-9
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