久久久久精品免费福利电影,国产又黄又大又粗视频,A级毛片免费播放无码,人人妻人人爽人人澡欧美一区

2016年1月，回國不滿半年的張余，在《中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心人員遴選申請書》里寫道：“申請人擬開展的工作是運用結構生物學研究葉綠體編碼的RNA聚合酶（PEP）的工作機理和調控機制。”

當期封面。受訪者供圖

8年后，張余團隊和華中農業(yè)大學副教授周菲團隊合作，解析了PEP的冷凍電鏡結構，并揭示了該葉綠體基因轉錄“機器”的“裝配部件”“裝配模式”“功能模塊”，為葉綠體光合作用的基礎研究和應用探索打下了基礎。相關研究成果3月1日以封面文章形式發(fā)表于《細胞》。

“植物學領域的前沿科學問題，很多都是生命科學的共性問題。”中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）主任韓斌告訴《中國科學報》，這項工作填補了RNA聚合酶（RNAP）領域的空白，是可以寫進教科書的突破性進展，將帶動后續(xù)一系列應用方面的探索。

領域里最有挑戰(zhàn)性的難題

如果將細胞比作一臺精密運轉的電腦，基因轉錄機器——RNAP則是轉錄過程中的“中央處理器（CPU）”，其重要性不言而喻。“遺傳信息被存儲在基因組這塊‘硬盤’中，必須借助‘CPU’讀取細胞中的各類數據，并整合各方信號輸出指令，才能開始后續(xù)的生命活動。”張余解釋。

隨著對此類“CPU”認識的不斷深入，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管生物種類繁多，RNAP卻十分保守。

幾十年間，科學家陸續(xù)解析了細菌、古菌、真核生物RNAP的結構和工作機制。但對植物特有RNAP的解析進展緩慢。直到近幾年，張余和分子植物卓越中心研究員王佳偉才合作闡明了植物特有的Pol IV結構和機制。而PEP結構遲遲不現(xiàn)“廬山真面目”。

事實上，僅PEP的鑒定發(fā)現(xiàn)就經歷了32年。原因在于其結構過于復雜。“這是一個持續(xù)發(fā)現(xiàn)的過程。可能某一年發(fā)現(xiàn)某一蛋白是RNAP的亞基組分，過兩年又發(fā)現(xiàn)了一個。”張余說。

植物葉綠體的“祖先”是原核藍細菌。演化至今，葉綠體基因組變得“小而精”，轉錄葉綠體基因組的機器卻越發(fā)復雜。PEP在原核藍細菌基因轉錄機器的基礎上，裝配了多個獨特的功能模塊，“身形”變?yōu)樵瓉淼?.5倍，其“裝配部件”數量變?yōu)樵瓉淼?倍。然而這些模塊在原核藍細菌中基本沒有原型，大多數“借”于真核細胞。

多年研究表明，葉綠體基因轉錄機器控制葉綠體的發(fā)育過程以及成熟葉綠體的基因表達，在調控植物光合作用中發(fā)揮關鍵作用。“PEP研究是領域內最重要、最有挑戰(zhàn)性的。”王佳偉說。

科研是一場沒有硝煙的競爭

回國后的8年間，張余團隊聚焦細菌、酵母和植物的細胞核與細胞器RNAP，持續(xù)產出成果。但對于PEP的結構解析，在很長的一段時間里都沒有進展。

“最大的瓶頸是如何從葉綠體中純化豐度非常低的RNA聚合酶。我們嘗試了多種手段，都以失敗告終。”張余回憶，“比如我們嘗試沿用解析Pol IV時的一個方法，用擬南芥懸浮細胞去純化植物內源蛋白，但目前擬南芥中葉綠體轉化的效率非常低，很難把穩(wěn)定的蛋白標簽插入到葉綠體基因組中。”

2019年，德國馬普分子植物生理所所長、德國科學院院士Ralph Bock在分子植物卓越中心作學術報告時，介紹了其在植物質體轉化技術和應用領域的研究進展。張余茅塞頓開，意識到可以在PEP的基因序列中加上一段DNA序列作為標簽，再通過親和純化的方式，把PEP從復雜的組分中“拉”出來，從而獲得葉綠體基因轉錄蛋白質復合物。

于是，團隊鎖定了葉綠體基因轉化效率較高的模式植物大葉煙草。“但是前期我們沒有種植煙草的經驗，剛開始種植就遇到了蚜蟲暴發(fā)，煙草一直長不大，我們不得不天天用透明膠帶手工捕捉蚜蟲。最后通過對溫室和培養(yǎng)土滅菌才得以根治蟲害。”論文第一作者、分子植物卓越中心副研究員武霄仙回憶道。

直到2022年底，團隊才建立了穩(wěn)定的純化流程，突破了PEP蛋白獲取瓶頸。然而，國際競爭十分激烈，陸續(xù)有幾個課題組在PEP純化及結構解析方面取得了突破。

“我們當時很緊張。”為了確保進度，武霄仙還沒休完產假就回到實驗室投入研究，經常做實驗做到半夜。而PEP復雜的結構給數據處理帶來了挑戰(zhàn)。在獲得蛋白冷凍電鏡結構后，武霄仙發(fā)現(xiàn)PEP蛋白的二維分類中存在很多“洞”和“犄角”，三維結構也很陌生。“文獻報道PEP由藍細菌RNAP進化而來，但是我找不到一點藍細菌RNAP的影子，一度以為自己解析了一個‘雜蛋白’。”

最終，團隊從較為熟悉的亞基入手，基于前期文獻和AlphaFold結構預測，將PEP亞基放置到了準確位置，并很快開始撰寫論文。

2023年6月，英國Michael Webster課題組在會議中報告了白芥PEP蛋白冷凍電鏡結構的相關進展。最后Webster課題組和張余團隊商量“背靠背”共同發(fā)表。

“在這8年時間里，我們之所以能夠堅持研究下去，得益于分子植物卓越中心營造的比較寬松、讓青年人才能夠潛心啃‘硬骨頭’的環(huán)境。”張余強調。

補上最后一塊拼圖

與原核藍細菌基因轉錄機器相比，PEP一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），其中14個是其特有的。張余團隊發(fā)現(xiàn)，它們通過“套娃模型”進行裝配：藍細菌來源的催化模塊包含6個“裝配部件”，位于復合物的核心層；支架模塊由7個部件組成，位于中間層，一方面可以穩(wěn)定催化模塊，另一方面為其他模塊提供結合位點；另有7個部件位于最外層，具有不同的功能特性。

在“套娃”最外層，分布著3個不同模塊：保護模塊包括兩個蛋白亞基，保護PEP免受葉綠體中超氧化物的氧化攻擊；RNA模塊包括1個亞基，能夠序列特異性地結合RNA；調控模塊由4個亞基組成，可能參與基因轉錄機器的活性調控。其中，催化模塊由葉綠體基因組編碼，蛋白亞基起源于藍細菌；其他模塊由細胞核基因組編碼，大部分蛋白亞基起源于真核細胞，在細胞質翻譯后運輸至葉綠體完成組裝。

“這是一個非常巧妙的組裝模式，能夠保證細胞核控制葉綠體的基因表達。”張余解釋，“這些亞基需要在細胞核中完成轉錄、在細胞質中完成翻譯，再運輸到葉綠體中，同催化模塊組裝成完整的復合物，此時PEP才能夠發(fā)揮功能。”

張余指出，葉綠體基因轉錄機器結構被解析出來，意味著三域生物所有RNA聚合酶的結構類型均被闡明，“最后一塊拼圖”終于被補上。

該研究在基礎研究層面，為進一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、理解葉綠體的基因表達調控方式打下了基礎；在應用層面，為改造葉綠體基因表達調控網絡、增加光合作用復合物的基因表達、提高光合作用效率打下了基礎；在合成生物學應用層面，則可助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產物的生產。

“我們只是把研究葉綠體基因轉錄領域的門推開了。在整個轉錄過程中，還有很多其他蛋白和小分子參與，需要在多個層面進一步開展研究。”張余說。

（《中國科學報》見習記者 江慶齡，本文刊于《中國科學報》2024-03-01 第1版 要聞）