余庆波课题组在高等植物叶绿体基因表达调控研究取得重要进展

转录和翻译是生物体遗传信息表达的两个基本过程。原核生物的转录和翻译发生在同一细胞室，即细胞质中。在大肠杆菌Escherichia coli中，转录和翻译这两个过程是偶联的，即RNA聚合酶(RNAP)产生的新生mRNA可以立即被RNA聚合酶尾随的核糖体翻译。随着生物的演化，真核生物核基因的转录发生在细胞核，而翻译在细胞质中进行。但是在原核生物Bacillus subtilis中，其转录和翻译这两个过程并不是偶联的。叶绿体是绿色植物和真核藻类特有的细胞器，是光合作用以及许多其他重要生物学过程发生的场所。叶绿体起源于内共生的蓝细菌。在进化过程中，叶绿体仍保留着少数的遗传物质并拥有自身转录机器和翻译机器。类似于原核生物，叶绿体基因组以DNA-蛋白质复合物的形式存在于叶绿体的拟核中。叶绿体转录机器和翻译机器兼有原核特性和真核特性，是一种独特的混合系统。然而，叶绿体作为一个独特的细胞器，其转录和翻译之间的联系尚不清楚。

E. coli转录因子NusG分别同RNAP的核心亚基β'和核糖体组分NusE/RPS10互作介导转录与翻译过程的偶联。2022年6月23日，我院余庆波课题组在国际著名学术杂志Nucleic Acids Research (影响因子16.971)在线发表了题为“AtNusG, a Chloroplast Nucleoid Protein of Bacterial Origin Linking Chloroplast Transcriptional and Translational Machineries, is Required for Proper Chloroplast Gene Expression in Arabidopsis thaliana”研究论文，该研究报道了模式植物拟南芥NusG的同源蛋白通过偶联叶绿体转录机器和翻译机器调控叶绿体基因表达的分子机制。

系统进化分析发现，NusG同源蛋白不仅存在于原核生物中，还存在于陆生植物和各种光合藻类中。模式植物拟南芥中的NusG同源蛋白AtNusG，它曾在质体转录活性染色体复合物中被鉴定到，命名为pTAC13。该研究发现，AtNusG定位于叶绿体类核且分别同叶绿体中细菌起源的RNA聚合酶和核糖体共迁移。进一步分析发现，AtNusG并不是同PEP复合物的核心亚基互作而是通过与叶绿体PEP复合物必需成分PAP9相互作用同其相联系，它还通过与叶绿体核糖体两个组分PRPS5和PRPS10相互作用同叶绿体核糖体相联系。这些结果表明，叶绿体的转录和翻译存在偶联。研究发现，在正常培养条件下，AtNusG缺失突变体同野生型的表型相似，不过，其新生叶片的PSⅡ最大光化学量子产率较野生型低。然而，在低温胁迫下，AtNusG缺失突变体的新生叶片表现出明显的黄化表型，叶绿体的发育受阻。在正常培养条件下，AtNusG缺失突变体新生叶片中光合复合物的积累较野生型相比略有减少。转录组分析显示，叶绿体编码的光合基因如psbA、psbB、psbC和psbD的转录本积累没有明显变化。免疫印迹分析则表明，它们所编码的蛋白的积累量则明显降低。在正常培养条件下，AtNusG缺失并没有影响叶绿体核糖体的生物发生；但是，叶绿体多聚核糖体分析结果表明，AtNusG的缺失影响了这些蛋白质的翻译，这可能导致该突变体的光合效率显著降低以及对低温胁迫的敏感性增强。该研究表明，细菌中NusG介导的转录-翻译偶联机制在叶绿体进化过程中得以保留，不过，叶绿体中AtNusG同聚合酶相偶联的具体亚基已发生改变；AtNusG介导的转录和翻译之间的偶联促进叶绿体编码的一些光合基因的表达，从而确保了植物早期光合能力的快速建立以及对外界环境变化的响应。该研究揭示了高等植物叶绿体基因表达调控的新机制，丰富了人们对高等植物叶绿体基因表达调控的认识。