发现蛋白酶体的轻度应激可改善拟南芥叶绿体的光合性能（2020.4.5 Plant Biotechnology Journal）

叶绿体作为半自主细胞器，其生物發生需要大量的蛋白质由细胞质中定向转运到叶绿体中。具有外叶绿体包膜蛋白转位酶（TOC）和内叶绿体包膜蛋白转位酶（TIC）缺陷的植物无法导入光合作用所必需的蛋白质，这使得蛋白质的导入成为叶绿体生物发生所必需。本文涉及的主要有两个叶绿体蛋白转运突变体ppi1（TOC33缺陷）和ppi2（TOC159缺陷）。

26S蛋白酶体作为真核生物内负责蛋白质降解的主要分子机器，参与了生物体的绝大多数生命活动。26S蛋白酶体是由19S调节颗粒（RP）与20S核心颗粒（CP）两部分所构成。19S调节颗粒由至少19个蛋白成员构成，其进一步分成lid和base两部分。本文涉及的相关蛋白主要是拟南芥材lid部分中的Rpn8a和及其旁系同源基因Rpn8b，研究报道表明相比于Rpn8b，Rpn8a占据主导地位行使功能。20S核心颗粒是由28个蛋白质成员构成，本文涉及的相关蛋白主要是拟南芥材PAD1（proteasome subunit alpha-type1）蛋白。目前，关于细胞质中26S蛋白酶体是否参与叶绿体生物发生的研究报道还相对较少。

近日，来自德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学生物化学与生物技术研究所的研究团队在著名期刊Nature Communications杂志在线发表了题为“Mild proteasomal stress improves photosynthetic performance in Arabidopsis chloroplasts”的研究论文，本文报道了叶绿体前体蛋白输入与蛋白酶体降解之间存在着一种胞质平衡。由蛋白酶体轻度遗传突变损伤引起的这种平衡的改变，导致胞质前体蛋白丰度的增加，并显著增加蛋白质输入不足的叶绿体中功能性光合复合体的积累。提出了胞质内质体前体蛋白的转化是一种限制类囊体膜组装和光合电子传递的分子机制。

该研究报道，首先筛选获得了三个26S蛋白酶体相关蛋白突变体rpn8a，rpn8b和pad1。同时，由于E3连接酶突变体SP1基因可以直接作用于TOC转运机制，进而抑制ppi1突变体表型，因此，以突变体sp1作为参考材料。对这四个突变体材料的表型结果进行分析，发现单突的表型与野生型之间没有明显的差异。因此，这四个突变体进一步与ppi2突变体材料进行杂交，构建获得了四个对应的双突材料。带有ppi2的双突变体在生长和叶绿素含量方面严重受损，但它们之间的表型存在不均匀。为了进一步确定表型，研究人员测定了这些材料的叶绿素a，叶绿素b和类胡萝卜素的含量。结果表明rpn8a突变能在ppi2突变的背景下，提高光合色素含量，即在一定程度上恢复了ppi2突变导致的光合色素含量下降的表型。同时，透射电镜的结果也表明蛋白酶体损伤影响类囊体膜的堆积。由于rpn8a ppi2双突变的表型结果最明显，因此，在后续的实验中就聚焦在Rpn8a基因上。对rpn8a，ppi2和rpn8a ppi2突变体材料的光合作用活性检测，发现26S蛋白酶体中的lid突变体材料能改善光合作用活性。同时，rpn8a突变也改变了蛋白酶复合体的组成成分。总之，该研究表明蛋白质输入，胞质翻译和蛋白酶体活性形成调节三联体，与线粒体质量控制和蛋白质稳态密切相关。

同时，该研究为进一步描述植物细胞中这一调节系统奠定了基础，并使我们能够确定它如何影响叶绿体的生物发生和功能。