Cell：中国学者发现相分离驱动叶绿体内蛋白分选新机制丨CellPress论文速递
光合作用是地球上最大规模地利用太阳能，把二氧化碳和水合成为有机物，并放出氧气的过程。叶绿体是植物光合作用场所。叶绿体是由光合细菌共生演变而来的，在光合作用及其他多种重要生理过程中发挥着关键性的作用。叶绿体的半自主性，95%叶绿体蛋白是由核基因编码的，胞质合成为前体后，通过叶绿体外被膜和内被膜上的转运通道将蛋白质转入叶绿体的不同区域才能使叶绿体行使光合功能。然而一直以来科学家们对于将核编码叶绿体蛋白在跨过叶绿体被膜之后，是如何被分选，穿过拥挤的基质空间，并精确的靶定到特异性的类囊体膜受体复合物的分子机制依然不清楚。
2020年3月12日，张立新教授研究团队（中国科学院植物研究所/河南大学生命科学学院）及合作者在 Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell （《细胞》）上在线发表了题为"Liquid-liquid phase transition drives intra-chloroplast cargo sorting"的研究论文。
该研究发现了位于叶绿体基质的关键蛋白转运分选因子STT1与STT2，阐明了STT复合物通过相分离调控底物的识别、分选以及转运靶定到双精氨酸依赖转运途径分子机制。
（长按识别下图中的二维码阅读论文）
1. 筛选鉴定双精氨酸依赖途径的分选因子
为研究叶绿体蛋白在叶绿体基质的靶定转运机制，张立新课题组以双精氨酸转运途径底物OE23作为诱饵蛋白，通过酵母双杂交筛库体系筛选到定位在叶绿体基质的蛋白转运因子STT1与STT2。结构域分析表明STT1与STT2蛋白都具有N端的IDR（intrinsically disordered region）与C端的ankyrin repeat结构域。结构生物学与生物化学手段分析表明STT1与STT2能够依赖于ankyrin repeat结构域的相互作用形成一个椭圆球状异源二聚体结构，而STT复合物的的IDR的保守的WEEPD基序与LVP-W基序能够识别底物信号肽并结合底物。
2．STT复合物通过相分离的产生以及抑制调控底物的分选以及靶定过程
进一步的研究表明底物识别与结合激活STT复合物进一步的组装相分离形成浓缩的液滴。STT-底物相分离液滴协助底物穿过叶绿体基质从而靶定到类囊体膜。而位于类囊体膜的受体蛋白Hcf106能够抑制STT的相分离从而释放底物，完成底物的正确运输与装配。这种方式可能既能确保底物折叠，同时保持底物信号肽的活性便于被下游Tatc/Hcf106通道识别，阻碍STT-Hcf106结合会阻断Tat底物的运输，影响植物光合作用从而导致植物致死的表型。
3．体外重组实验与植物突变体分析都证明STT介导的相分离调控叶绿体蛋白运输
为了证明相分离确实参与叶绿体内部的蛋白运输，作者通过三个层面展开了研究工作。首先他们通过体外的重组实验证明STT相分离促进底物靶定到类囊体膜，而突变相分离的关键位点，不仅阻碍底物靶定到类囊体膜，同时也阻断底物跨类囊体膜运输过程。为了排除相分离是由于35S启动子过表达产生的，构建了STT自身启动子驱动的表达STT1-GFP与STT-mCherry的转基因植株。结果显示在STT自身启动子的驱动下，STT依然能在体内形成液滴。最后，为了证明STT液滴的体内生理功能确实参与底物运输，构建了STT相分离关键位点的突变体转基因植株。对STT突变体的转基因植株研究发现，STT突变体蛋白在植物体内形成较小液滴，同时突变体植株展示了降低的底物转运效率与底物累积。该研究强调了STT的相分离调控植物叶绿体的底物运输过程。
4. 总结
综上所述，该研究发现一个新颖的叶绿体基质复合物STT, STT能够通过相分离的发生与抑制调控底物的识别以及底物的靶定过程，从而调控叶绿体生成和光合作用。同时该研究揭示了调节细胞器生物发生中蛋白转运相分离的保守机制。因此该研究不仅拓展了相分离与蛋白转运的研究领域，也为研究细胞是如何精确调控其各种生理活动拓展了新思路。
欧阳敏（现湖北大学生科院）为本文第一作者，张立新教授为本文通讯作者。研究工作受到国家自然科学基金项目、科技部、河南大学、湖北大学以及中科院等基金项目的资助。
论文通讯作者简介
关于 张立新 教授
张立新教授一直致力于光合作用功能调控机理的研究，包括叶绿体基因表达调控、叶绿体蛋白转运、光合膜复合物组装、叶绿体信号转导和光合作用环境调节机制等，曾主持国家重点基础研究发展计划（973），国家自然科学基金重点项目，国家杰出青年科学基金以及国家自然科学基金国际合作项目；在Cell、Annual Review of Plant Biology、Nature Plants、Nature Communications、PNAS、Plant Cell等期刊发表论文40余篇。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊 Cell 上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Liquid-liquid phase transition drives intra-chloroplast cargo sorting
论文网址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30222-1
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.045
推荐阅读
点击“阅读原文”，查看论文原文