叶绿体是植物细胞中负责光合作用的重要细胞器，其内部大多数蛋白都是由核基因编码并在细胞质中合成。核基因编码的前体蛋白（Pre-protein）在穿过叶绿体表面的双层被膜进入叶绿体的过程中，高度依赖于复杂精巧的前体蛋白转运体系统（Translocons）。分别定位于叶绿体外被膜和内被膜的TOC和TIC复合物（Translocons at the Outer and Inner envelope membranes of Chloroplast）共同组成TOC-TIC超复合体，负责介导绝大多数前体蛋白从细胞质到叶绿体内部的输送过程。此外，叶绿体蛋白转运系统还包含一个马达蛋白复合物（Motor complex）机器，它在前体蛋白跨叶绿体被膜转运的过程中起到关键的驱动作用。之前的研究结果揭示了TOC-TIC超复合体的组成及转运路径，但是该蛋白转运系统是如何利用ATP水解的能量来驱动前体蛋白的跨膜转运过程，这一关键科学问题有待进一步研究阐明。关于马达蛋白复合物的具体组成、结构以及前体蛋白的转运机理等细节，目前还知之甚少。

　　2024年11月7日，金沙集团1862cc李梅团队和金沙集团1862cc植物研究所杨文强团队在《Molecular Plant》合作发表题为"Architecture of the ATP-driven motor for protein import into chloroplasts"的研究论文。

图1. Orf2971-FtsHi马达蛋白复合物的整体结构

　　A-B,复合物的侧面图，不同亚基用不同颜色显示（IEM内膜区域用橘色线条指出）；C-D,复合物的顶端（C）和底部（D）视角。

　　该项研究通过解析莱茵衣藻叶绿体的马达蛋白--Orf2971-FtsHi复合物的高分辨率结构（图1），揭示了该复合物高度复杂的蛋白组成和装配细节，探讨了前体蛋白的可能转运路径。Orf2971-FtsHi是由19个蛋白形成的一个20个亚基的复合物，横跨叶绿体的内膜，并向两侧凸出到叶绿体膜间隙以及基质侧。其中Orf2971是一个由叶绿体质体基因组编码的蛋白，总分子量约为341 kDa，在进化层面上起源于FtsH蛋白酶，该蛋白在复合物中充当支架，与另外19个蛋白亚基中的17个均有直接相互作用，从而对于整个复合物的组装和稳定都至关重要。此外，复合物中还有另外4个蛋白（Ctap1,Fhl1,Fhl2及Fhl3）也与FtsH蛋白酶同源。结构显示这5个FtsH样蛋白共同形成一个类似于双层圆盘的异源六聚体结构（由Orf2971,Ctap1,Fhl1,Fhl2以及两个相同的Fhl3组成），通过水解消耗ATP分子为前体蛋白的跨膜转运提供拉力；而其余14个蛋白亚基则起到帮助复合物组装及稳定，以及参与前体蛋白的运输及调节的作用。该项研究还通过表面等离子共振技术（SPR）以及高斯加速分子动力学模拟（Gaussian accelerated molecular dynamic simulation）证明了马达蛋白复合物中的Tic22蛋白与TOC-TIC复合体中的Toc75蛋白直接相互作用，从而提出了两种复合物的结合模型（图2），为理解TOC-TIC复合体与马达蛋白复合物彼此协调，共同完成前体蛋白转运的过程和机制提供了重要信息。

图2. TOC-TIC复合物与Orf2971-FtsHi motor的结合方式

　　金沙集团1862cc博士后王宁和金沙集团1862cc植物研究所博士后邢家乐为论文的共同第一作者，金沙集团1862cc李梅研究员和金沙集团1862cc植物研究所杨文强研究员为共同通讯作者，同时李梅研究组的苏小东，史利芳，已毕业的博士生司龙，杨文强研究组的潘俊廷，以及金沙集团1862cc分子细胞科学卓越创新中心的陈辉也参与了该项研究工作。该项研究得到了金沙集团1862cc战略性先导科技专项（B类）、科技部重点研发项目、国家自然科学基金、金沙集团1862cc稳定支持基础研究领域青年团队计划及金沙集团1862cc青促会项目基金的资助，冷冻电镜数据收集和样品分析等工作得到金沙集团1862cc蛋白质科学研究平台相关工作人员的帮助和支持。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.09.010

（供稿：李梅研究组）