植物進行光合作用的細胞器葉綠體能把光能轉化為化學能，把無機物變為有機物，可以說它是世界上成本最低，創造財富最多的生物工廠。科學家們通過多年研究發現，葉綠體基因組編碼RNA聚合酶（PEP），控制葉綠體的發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揮關鍵角色，然而這一葉綠體基因轉錄機器的構造一直未能破解，這是科學界公認的世界性難題。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊和華中農業大學周菲研究團隊合作成功解析了葉綠體基因轉錄機器的結構。3月1日，該成果以封面文章的形式在線發表在國際頂級學術期刊《細胞》上。
該研究解析了葉綠體基因轉錄機器的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”，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以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。
研究成果刊發的封面圖。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
RNA聚合酶是細胞中的“CPU”，它們“讀取”細胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”。迄今為止，科學家們已發現三域生物有9類基因轉錄機器，其中8類的結構機制都已被科學家們成功破解，PEP成為最后一塊未被解析的“CPU”拼圖。
植物葉綠體是在15億年前，由原核藍細菌被真核細胞所吞并演化而來，在此過程中，藍細菌基因組基因不斷被轉移至細胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉錄葉綠體基因組的機器卻一點都不簡單。
它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，進而其“身形”變為原來的2.5倍，其“裝配部件”數量變為原來的3倍。然而，這些模塊在原核藍細菌中卻基本沒有任何“原型”，大多數“借”于真核細胞。正因于此，PEP是目前已知最復雜的基因轉錄機器。
2016年，張余在遞交中國科學院分子植物科學卓越創新中心人員遴選申請書時，便向這個世界性難題發起挑戰。
為了解開PEP的真面目，張余研究團隊和合作者，利用葉綠體轉化技術，在煙草葉綠體基因轉錄機器上引入特征性的“捕獲標簽”，通過純化煙草內源的葉綠體基因轉錄機器，并通過單顆粒冷凍電鏡技術，最終解開了葉綠體基因轉錄機器的真面目。
張余（中）研究團隊合影。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
文章第一作者、中國科學院分子植物科學卓越創新中心副研究員武霄仙回憶：“葉綠體PEP在植物組織中的豐度極低，要提出足夠純的樣品，也極具挑戰。”為此，他們每半個月都要種200多棵煙草用于實驗。
“當我們看到葉綠體PEP復合物結構時，為生命的神奇而驚嘆，也深深感受到科學研究的快樂。”張余介紹，他們最終發現與原核藍細菌基因轉錄機器相比，葉綠體基因轉錄機器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護模塊、RNA模塊和調控模塊）。
“葉綠體PEP通過演化出額外的亞基實現特異性的功能和更加復雜的調控。比如保護模塊包括2個亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，幫助葉綠體避免陸地強光照條件下光合作用產生的過量活性氧造成的損傷。”張余介紹，經過研究分析，他們發現葉綠體的PEP超大復合物進化時間與植物登陸的時間相一致。
葉綠體基因轉錄機器構造。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心韓斌表示，該研究為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了著手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產物的生產。此外，還為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳匯。
植物進行光合作用的細胞器葉綠體能把光能轉化為化學能，把無機物變為有機物，可以說它是世界上成本最低，創造財富最多的生物工廠。科學家們通過多年研究發現，葉綠體基因組編碼RNA聚合酶（PEP），控制葉綠體的發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揮關鍵角色，然而這一葉綠體基因轉錄機器的構造一直未能破解，這是科學界公認的世界性難題。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余研究團隊和華中農業大學周菲研究團隊合作成功解析了葉綠體基因轉錄機器的結構。3月1日，該成果以封面文章的形式在線發表在國際頂級學術期刊《細胞》上。
該研究解析了葉綠體基因轉錄機器的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”，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以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。
研究成果刊發的封面圖。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
RNA聚合酶是細胞中的“CPU”，它們“讀取”細胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”。迄今為止，科學家們已發現三域生物有9類基因轉錄機器，其中8類的結構機制都已被科學家們成功破解，PEP成為最后一塊未被解析的“CPU”拼圖。
植物葉綠體是在15億年前，由原核藍細菌被真核細胞所吞并演化而來，在此過程中，藍細菌基因組基因不斷被轉移至細胞核，最終形成了“小而精”的葉綠體基因組，但是轉錄葉綠體基因組的機器卻一點都不簡單。
它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，進而其“身形”變為原來的2.5倍，其“裝配部件”數量變為原來的3倍。然而，這些模塊在原核藍細菌中卻基本沒有任何“原型”，大多數“借”于真核細胞。正因于此，PEP是目前已知最復雜的基因轉錄機器。
2016年，張余在遞交中國科學院分子植物科學卓越創新中心人員遴選申請書時，便向這個世界性難題發起挑戰。
為了解開PEP的真面目，張余研究團隊和合作者，利用葉綠體轉化技術，在煙草葉綠體基因轉錄機器上引入特征性的“捕獲標簽”，通過純化煙草內源的葉綠體基因轉錄機器，并通過單顆粒冷凍電鏡技術，最終解開了葉綠體基因轉錄機器的真面目。
張余（中）研究團隊合影。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
文章第一作者、中國科學院分子植物科學卓越創新中心副研究員武霄仙回憶：“葉綠體PEP在植物組織中的豐度極低，要提出足夠純的樣品，也極具挑戰。”為此，他們每半個月都要種200多棵煙草用于實驗。
“當我們看到葉綠體PEP復合物結構時，為生命的神奇而驚嘆，也深深感受到科學研究的快樂。”張余介紹，他們最終發現與原核藍細菌基因轉錄機器相比，葉綠體基因轉錄機器一共具有20個“裝配部件”（蛋白亞基），組成了5個功能模塊（催化模塊、支架模塊、保護模塊、RNA模塊和調控模塊）。
“葉綠體PEP通過演化出額外的亞基實現特異性的功能和更加復雜的調控。比如保護模塊包括2個亞基，它們具有超氧化物歧化酶的功能，幫助葉綠體避免陸地強光照條件下光合作用產生的過量活性氧造成的損傷。”張余介紹，經過研究分析，他們發現葉綠體的PEP超大復合物進化時間與植物登陸的時間相一致。
葉綠體基因轉錄機器構造。中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心韓斌表示，該研究為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了著手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然產物的生產。此外，還為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路，助力植物高效碳匯。
本文鏈接：破解世界性難題！我科學家成功解析葉綠體基因轉錄機器構造http://www.sq15.cn/show-2-3347-0.html
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