在遗传信息表达的过程中，“基因转录机器”发挥着至关重要的作用，而叶绿体基因转录机器是目前已知最复杂的基因转录机器。近日，学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成的最新研究成果。该研究揭示了叶绿体基因转录机器的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”，并成功解析其构造。
储存在DNA中的遗传信息就像数据存储在硬盘中，什么时间去读取，读取强度是多少，如何整合各方面信号来读取数据、输出指令，从而将遗传信息从DNA传递到RNA中去，都要依靠基因转录机器（一种RNA聚合酶），它也因此常被人们比作“细胞里的CPU”。多年研究表明，叶绿体基因转录机器控制叶绿体的发育过程，以及叶绿体发育成熟后的基因表达，在调控植物光合作用中发挥关键作用，但由于其结构的复杂性，此前未被科学家完全解读。
15亿年前，可以进行光合作用的原核蓝细菌被真核细胞吞并，慢慢地演变成共生的细胞器，最终演化为如今的植物叶绿体。在漫长的生物进化过程中，蓝细菌的基因组基因或被转移至细胞核，或被丢失，最终在叶绿体中留下了仅含有100多个基因的基因组，负责执行光合作用、保障叶绿体正常运转等重要功能。
研究团队利用叶绿体转化技术，构建了叶绿体转基因烟草，再通过亲和纯化的方式，提取出纯度较高的叶绿体基因转录蛋白质样本。最后利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了叶绿体基因转录机器构造。
研究发现，在原核蓝细菌基因转录机器的基础上，叶绿体的基因转录机器“装配”了多个独特的功能模块，其“身形”变为原来的2.5倍，“装配部件”数量变为原来的3倍。这些模块大多并不源自原核蓝细菌，而是源自真核细胞。叶绿体基因转录机器一共具有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了5个功能模块（催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块），它们像俄罗斯套娃一样进行“装配”。
研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式，以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。在合成生物学应用层面，本研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，可助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。在“碳达峰”和“碳中和”的目标下，本研究为提高光合作用系统基因表达水平提供了新思路，助力植物高效碳汇。
（来源：中国农科新闻）
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