?补迷信

当期封面。受访者供图

2016年1月，上最归国不满半年的后块张余，在《中国迷信院份子动物迷信卓越立异中间职员筛选恳求书》里写道：“恳求人拟睁开的拼图使命是运用结构生物学钻研叶绿体编码的RNA聚合酶（PEP）的使命机理以及调控机制。”

8年后，往事网张余团队以及华中农业大学副传授周菲团队相助年剖析了PEP的补迷信冷冻电镜结构，并揭示了该叶绿体基因转录“机械”的上最“装置部件”“装置模式”“功能模块”，为叶绿体光协浸染的后块根基钻研以及运用探究打下了根基。相干钻研成果3月1日以封面文章方式宣告于《细胞》。拼图

“动物学畛域的往事网前沿迷信成果，良多都年性命迷信的特色成果。”中国迷信院院士、补迷信中国迷信院份子动物迷信卓越立异中间（如下简称份子动物卓越中间）主任韩斌看护《中国迷信报》，上最这项使命填补了RNA聚合酶（RNAP）畛域的空缺，是可能写进教科书的突破性妨碍，将动员后续一系列运用方面的探究。

畛域里最有挑战性的难题

假如将细胞比作一台详尽运行的电脑，基因转录机械——RNAP则是转录历程中的“中间解决器（CPU）”，其紧张性显而易见。“遗传信息被存储在基因组这块‘硬盘’中，必须借助‘CPU’读取细胞中的种种数据，并整合各方信号输入指令，能耐开始后续的性命行动。”张余批注。

随着对于此类“CPU”意见的不断深入，人们恐慌地发现，尽管生物种类繁多，RNAP却十分激进。

多少十年间，迷信家陆续剖析了细菌、古菌、真核生物RNAP的结谈判使命机制。但对于动物特有RNAP的剖析妨碍飞快。直到近多少年，张余以及份子动物卓越中间钻研员王佳伟才相助诠释了动物特有的Pol IV结谈判机制。而PEP结构迟迟不现“庐山真面目”。

事实上，仅PEP的判断发现就履历了32年。原因在于其结构过于重大。“这是一个不断发现的历程。可能某一年发现某一卵白是RNAP的亚基组分，过两年又发现了一个。”张余说。

动物叶绿体的“后人”是原核蓝细菌。蜕变至今，叶绿体基因组变患上“小而精”，转录叶绿体基因组的机械却加倍重大。PEP在原核蓝细菌基因转录机械的根基上，装置了多个特意的功能模块，“体态”酿成原来的2.5倍，其“装置部件”数质酿成原来的3倍。可是这些模块在原核蓝细菌中根基不原型，大少数“借”于真核细胞。

多年钻研表明，叶绿体基因转录机械操作叶绿体的发育历程以及成熟叶绿体的基因表白，在调控动物光协浸染中发挥紧张浸染。“PEP钻研是畛域内最紧张、最有挑战性的。”王佳伟说。

科研是一场不硝烟的相助

归国后的8年间，张余团队聚焦细菌、酵母以及动物的细胞核与细胞器RNAP，不断产出成果。但对于PEP的结构剖析，在很长的一段光阴里都不妨碍。

“最大的瓶颈是若何从叶绿体中纯化品貌十分低的RNA聚合酶。咱们试验了多种伎俩，都以失败了结。”张余回顾，“好比咱们试验沿袭剖析Pol IV时的一个方式，用拟南芥悬浮细胞去纯化动物内源卵白，但当初拟南芥中叶绿体转化的功能十分低，很难把晃动的卵白标签插入到叶绿体基因组中。”

2019年，德国马普份子动物心理所短处、德国迷信院院士Ralph Bock在份子动物卓越中间作学术陈说时，介绍了其在动物资体转化技术以及运用畛域的钻研妨碍。张余茅塞顿开，意见到可能在PEP的基因序列中加之一段DNA序列作为标签，再经由亲以及纯化的方式，把PEP从重大的组分中“拉”进去，从而取患上叶绿体基因转录卵白质复合物。

于是，团队锁定了叶绿体基因转化功能较高的模式动物大叶烟草。“可是前期咱们不种植烟草的履历，刚开始种植就碰着了蚜虫发生，烟草不断长不大，咱们不患上不天天用透明胶带手工捉拿蚜虫。最后经由对于温室以及作育土灭菌才患上以根治虫害。”论文第一作者、份子动物卓越中间副钻研员武霄仙回顾道。

直到2022年尾，团队才建树了晃动的纯化流程，突破了PEP卵白获取瓶颈。可是，国内相助十分强烈，陆续有多少个课题组在PEP纯化及结构剖析方面取患了突破。

“咱们当时很紧迫。”为了确保进度，武霄仙还没休完产假就回到试验室投入钻研，每一每一做试验做到三更。而PEP重大的结构给数据解决带来了挑战。在取患上卵白冷冻电镜结构后，武霄仙发现PEP卵白的二维分类中存在良多“洞”以及“犄角”，三维结构也很目生。“文献报道PEP由蓝细菌RNAP进化而来，可是我找不到一点蓝细菌RNAP的影子，一度觉患上自己剖析了一个‘杂卵白’。”

最终，团队从较为熟习的亚基入手，基于前期文献以及AlphaFold结构预料，将PEP亚基部署到了精确位置，并很快开始撰写论文。

2023年6月，英国Michael Webster课题组在团聚中陈说了白芥PEP卵白冷冻电镜结构的相干妨碍。最后Webster课题组以及张余团队商量“背靠背”配合宣告。

“在这8年光阴里，咱们之以是可能连结钻研上来，患上益于份子动物卓越中间修筑的比照广漠、让青年强人可能分心啃‘硬骨头’的情景。”张余强调。

补上最后一块拼图

与原核蓝细菌基因转录机械比照，PEP一共具备20个“装置部件”（卵白亚基），其中14个是其特有的。张余团队发现，它们经由“套娃模子”妨碍装置：蓝细菌源头的催化模块包罗6个“装置部件”，位于复合物的中间层；支架模块由7个部件组成，位于中间层，一方面可能晃动催化模块，另一方面为其余模块提供散漫位点；尚有7个部件位于最外层，具备差此外功能特色。

在“套娃”最外层，扩散着3个区别模块：呵护模块包罗两个卵白亚基，呵护PEP免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击；RNA模块包罗1个亚基，可能序列特同性地散漫RNA；调控模块由4个亚基组成，可能退出基因转录机械的活性调控。其中，催化模块由叶绿体基因组编码，卵白亚基源头于蓝细菌；其余模块由细胞核基因组编码，大全副卵白亚基源头于真核细胞，在细胞质翻译后运输至叶绿体实现组装。

“这是一个十分怪异的组装模式，可能保障细胞核操作叶绿体的基因表白。”张余批注，“这些亚基需要在细胞核中实现转录、在细胞质中实现翻译，再运输到叶绿体中，同催化模块组装成残缺的复合物，此时PEP威力够发挥功能。”

张余指出，叶绿体基因转录机械结构被剖析进去，象征着三域生物所有RNA聚合酶的结构规范均被诠释，“最后一块拼图”终于被补上。

该钻研在根基钻研层面，为进一步探究叶绿体基因转录机械的使命模式、清晰叶绿体的基因表白调控方式打下了根基；在运用层面，为刷新叶绿体基因表白调控网络、削减光协浸染复合物的基因表白、普及光协浸染功能打下了根基；在分解生物学运用层面，则可助力重组疫苗、重组卵白药物以及人造产物的斲丧。

“咱们只是把钻研叶绿体基因转录畛域的门推开了。在全部转录历程中，尚有良多其余卵白以及小份子退出，需要在多个层面进一步睁开钻研。”张余说。

相干论文信息：

http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.026