揭示叶绿体跨膜转运蛋白的功能保守性

（2020.12.7 Plant Biotechnology Journal）

TOC（translocons at the outer envelope membranes of chloroplasts）和TIC（translocons at the inner envelope membranes of chloroplasts）是已知的两种胞内叶绿体蛋白转运系统，它们形成TOC-TIC超复合体，并分别在叶绿体外膜和内膜上起作用。TOC系统中的亚基保守这一结论是被广泛接受的，分别为：识别亚基TOC159和TOC34;通道亚基TOC75。但是TIC的亚基是否保守依然有争论，有研究人员认为基本所有的真核植物都通用一套TOC-TIC通道，TIC在不同的物种中也应该是保守的，但是也有不少反對意见。

近日，加州大学旧金山分校的研究人员整合了转录组，蛋白组和基因工程手段，发现在绿藻中（Chlamydomonas reinhardtii），虽然与拟南芥的TIC有着序列和蛋白组成上的不同，但是由叶绿体基因组编码的蛋白具有保守性，解决了多年以来的争论。

首先，研究人员通过比对，寻找绿藻和拟南芥同源的TOC-TIC，发现有不少通道蛋白可以一一对应（如TIC56和TIC214），但是TIC20在拟南芥中并未发现同源基因。接着，他们利用转录组数据，将绿藻TOC-TIC的mRNA表达情况和拟南芥的TOC-TIC的mRNA表达情况进行相关性分析，发现两个物种中的同源基因存在相似的表达模式。从表达模式出发，研究人员发现，参与合成TOC-TIC的mRNA存在聚类，一类是表达紧密相关的（cpA），另一类则没有出现相关性（cpB）。

通过转录组数据，研究人员认为cpA路径中的基因是保守的，是在形成TOC-TIC复合体中重要的基因，而另一类参与cpB路径的基因则是可有可无的。进一步，他们借助IP实验，引出cpA路径中参与TIC20（核基因组编码）和TIC214（叶绿体基因组编码）亚基合成以及和上述两个亚基相关的重要基因。与这些亚基相关的基因在其他物种中都还没有报道，都是一些未被定义的蛋白，同时这些蛋白的丰度和光照周期有着高度的协调性，表明这两个亚基和互作的蛋白都是研究人员想找的特殊亚基。

由于TIC20是由核基因组编码的，在拟南芥中找不到很正常，但是TIC214是叶绿体基因组编码的，如果说叶绿体基因组保守，那理论上TIC214的功能就应该是保守的。所以为了证明TIC214是叶绿体蛋白转运的重要亚基，研究人员突变了一个细胞系（Y14）的TIC214（tic214）。该细胞系有一个特点，在添加维生素B12之后，只有存在有正常TIC214的细胞系才能正常建成叶绿体。结果表明，在失去了正常的tic214后，突变的Y14菌株失去了在培养基上生长的能力，证明TIC214就是研究人员要找的重要亚基。

接着基于以上结果认为，研究人员认为参与TOC-TIC路径的蛋白，如果由核基因组编码，就可能存在差异，但是由叶绿体基因组编码的蛋白可能都是保守的，比如TIC214。PBJ认为这项工作非常有意义，它从基因表达，蛋白，亚基组成等不同角度，对叶绿体蛋白转运的过程进行层层剖析，得出的结论也从一定程度上佐证“叶绿体可能是被另一物种吞噬之后逐渐演变成细胞器”这一假说。