RNA聚合酶被形象地稱為細胞里的登上CPU，調控著遺傳信息DNA轉錄為RNA的細胞全過程。迄今，封面人類發現三域（細菌域、國成功破古生菌域、解世界性真核生物域）生物共有9類RNA聚合酶，難題快3百姓彩票其中(zhong)(zhong)結(jie)構(gou)最大、登上最復雜的(de)細(xi)胞(bao)“葉(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)RNA聚合酶(mei)”一直未能(neng)被成(cheng)功解(jie)(jie)析出來，是封面(mian)(mian)幾十年來科(ke)(ke)學界(jie)(jie)的(de)一大待解(jie)(jie)之(zhi)謎(mi)。如(ru)今，國(guo)成(cheng)功破我國(guo)科(ke)(ke)學家成(cheng)功解(jie)(jie)開了這一謎(mi)團。解(jie)(jie)世界(jie)(jie)性(xing)3月1日，難題國(guo)際頂(ding)級學術期(qi)(qi)刊 《細(xi)胞(bao)》（Cell）的(de)登上封面(mian)(mian)是一張“葉(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)RNA聚合酶(mei)”的(de)構(gou)造(zao)圖，該期(qi)(qi)封面(mian)(mian)文章為(wei)“植物葉(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)編碼的(de)細(xi)胞(bao)RNA聚合酶(mei)冷凍電鏡(jing)結(jie)構(gou)”，由中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學院分子植物科(ke)(ke)學卓越創新中(zhong)(zhong)心(xin)張余研(yan)究團隊和華(hua)中(zhong)(zhong)農業大學周菲研(yan)究團隊合作(zuo)完成(cheng)。封面(mian)(mian)該研(yan)究解(jie)(jie)析了葉(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)基(ji)因(yin)轉(zhuan)錄機(ji)(ji)器的(de)冷凍電鏡(jing)結(jie)構(gou)，揭示(shi)了葉(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)基(ji)因(yin)轉(zhuan)錄機(ji)(ji)器的(de)“裝(zhuang)配部(bu)件(jian)”“裝(zhuang)配模式”和“功能(neng)模塊”。

國際頂刊《Cell》封面刊登該研究成果

張余研究員介紹，葉綠體中的百姓彩票大廳光合作用將光能轉化為化學能，為地球生命提供了能量和氧氣，是地球環境的重要塑造者。15億年前，原核藍細菌被真核細胞所吞并，最終演化為如今的植物葉綠體。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，但是百姓彩票官網登錄轉錄葉(xie)綠體基(ji)(ji)因組的(de)機(ji)器(qi)卻一點(dian)都不簡單。它在原(yuan)(yuan)核藍細(xi)菌基(ji)(ji)因轉錄機(ji)器(qi)的(de)基(ji)(ji)礎上(shang)，裝配了多個獨特的(de)功(gong)能模塊(kuai)，進而(er)其(qi)“身(shen)形”變為(wei)原(yuan)(yuan)來的(de)2.5倍(bei)，其(qi)“裝配部(bu)件”數量(liang)變為(wei)原(yuan)(yuan)來的(de)3倍(bei)。然(ran)(ran)而(er)這(zhe)些模塊(kuai)在原(yuan)(yuan)核藍細(xi)菌中卻基(ji)(ji)本沒有任(ren)何“原(yuan)(yuan)型”，大多數“借”于真核細(xi)胞。多年研(yan)究(jiu)表明(ming)，葉(xie)綠體基(ji)(ji)因轉錄機(ji)器(qi)控制(zhi)葉(xie)綠體的(de)發(fa)育過程以及成(cheng)熟葉(xie)綠體的(de)基(ji)(ji)因表達，在調控植物光合(he)作用中發(fa)揮關鍵角(jiao)色，但葉(xie)綠體基(ji)(ji)因轉錄機(ji)器(qi)的(de)構造依然(ran)(ran)未知。

2016年(nian)，張(zhang)余研究團隊開(kai)始(shi)向這一(yi)世界難題發起挑戰。“葉(xie)綠體(ti)(ti)RNA聚合酶是植物細胞特有的(de)(de)(de)(de)CPU，調控著80%的(de)(de)(de)(de)葉(xie)綠體(ti)(ti)基因，負責葉(xie)綠體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)發育(yu)和(he)(he)其(qi)功能(neng)(neng)發揮。如果(guo)能(neng)(neng)解析出(chu)葉(xie)綠體(ti)(ti)RNA聚合酶的(de)(de)(de)(de)構造，無疑(yi)將打(da)開(kai)葉(xie)綠體(ti)(ti)基因轉錄(lu)領域的(de)(de)(de)(de)大門。”張(zhang)余帶著對(dui)大自然的(de)(de)(de)(de)好奇(qi)和(he)(he)刨根問底的(de)(de)(de)(de)精神(shen)，堅持了8年(nian)的(de)(de)(de)(de)探(tan)索。他說之所以能(neng)(neng)堅持下來(lai)，得益于分(fen)子植物科學卓越創新中心多年(nian)來(lai)營造的(de)(de)(de)(de)讓(rang)青年(nian)人(ren)才(cai)潛心啃硬(ying)骨頭的(de)(de)(de)(de)氛圍(wei)。

葉綠體基因轉錄蛋白質機器構造

研究(jiu)團(tuan)隊(dui)首先(xian)利(li)用(yong)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)轉(zhuan)化(hua)技術(shu)構建了(le)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)轉(zhuan)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)煙草，隨后(hou)通過親和純(chun)化(hua)的(de)(de)方式獲(huo)得完整的(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)質復(fu)合物，最終利(li)用(yong)單(dan)顆粒冷凍電鏡技術(shu)成(cheng)(cheng)功解(jie)析了(le)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)機(ji)器構造。與原核(he)藍(lan)細(xi)菌基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)機(ji)器相比，葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)機(ji)器一共具有20個(ge)“裝配部件”（蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)亞(ya)(ya)基(ji)(ji)(ji)(ji)），組成(cheng)(cheng)了(le)催(cui)化(hua)模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、支架模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、保護模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、RNA模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)和調控模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)等5個(ge)功能模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，其中催(cui)化(hua)模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)由葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組編(bian)碼，其蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)亞(ya)(ya)基(ji)(ji)(ji)(ji)起(qi)源于藍(lan)細(xi)菌。其他模塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)由細(xi)胞核(he)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組編(bian)碼，其大部分蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)亞(ya)(ya)基(ji)(ji)(ji)(ji)起(qi)源于真核(he)細(xi)胞，在細(xi)胞質翻(fan)譯(yi)后(hou)運輸(shu)至葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)體(ti)(ti)(ti)完成(cheng)(cheng)組裝。這些(xie)原核(he)和真核(he)起(qi)源的(de)(de)蛋(dan)(dan)白(bai)(bai)亞(ya)(ya)基(ji)(ji)(ji)(ji)組成(cheng)(cheng)了(le)目前已知(zhi)最復(fu)雜(za)的(de)(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)錄(lu)機(ji)器。

藍細菌來源的(de)(de)催化(hua)模(mo)(mo)塊(kuai)包(bao)含6個蛋白(bai)亞(ya)(ya)基，其位于復合物的(de)(de)核心層(ceng)；支架模(mo)(mo)塊(kuai)包(bao)含7個蛋白(bai)亞(ya)(ya)基，它們一方(fang)面穩(wen)定催化(hua)模(mo)(mo)塊(kuai)，另一方(fang)面提(ti)供其他模(mo)(mo)塊(kuai)的(de)(de)結合位點；保護模(mo)(mo)塊(kuai)包(bao)括2個亞(ya)(ya)基，它們具(ju)有超氧(yang)化(hua)物歧化(hua)酶的(de)(de)功能(neng)，使其免受葉(xie)綠體中超氧(yang)化(hua)物的(de)(de)氧(yang)化(hua)攻擊(ji)；RNA模(mo)(mo)塊(kuai)包(bao)括1個亞(ya)(ya)基，能(neng)夠(gou)序列(lie)特異性結合RNA，推(tui)測可能(neng)參與(yu)轉錄關聯的(de)(de)RNA加工過程(cheng)； 調控模(mo)(mo)塊(kuai)包(bao)括4個亞(ya)(ya)基，推(tui)測它們參與(yu)基因轉錄機器的(de)(de)活性調控。

張余研究員在實驗室查看樣品

中國科(ke)(ke)學院院士、中國科(ke)(ke)學院分(fen)子植物科(ke)(ke)學卓越創新中心主任韓斌(bin)認為，在(zai)(zai)基(ji)(ji)礎(chu)研(yan)(yan)究(jiu)層面，該(gai)研(yan)(yan)究(jiu)為進一步探索(suo)葉(xie)(xie)綠體基(ji)(ji)因(yin)轉錄(lu)機器的(de)工(gong)作模(mo)式(shi)、理(li)解葉(xie)(xie)綠體的(de)基(ji)(ji)因(yin)表(biao)達調控方式(shi)以及改造(zao)葉(xie)(xie)綠體基(ji)(ji)因(yin)表(biao)達調控網(wang)絡打下了基(ji)(ji)礎(chu)。該(gai)研(yan)(yan)究(jiu)為光合作用(yong)系(xi)統基(ji)(ji)因(yin)表(biao)達水(shui)平的(de)提(ti)高提(ti)供了新思路，有望找到提(ti)高植物光合作用(yong)的(de)效(xiao)率、增加碳匯(hui)。此(ci)外，在(zai)(zai)合成生物學應用(yong)層面，該(gai)研(yan)(yan)究(jiu)為植物葉(xie)(xie)綠體生物反應器的(de)效(xiao)率提(ti)升提(ti)供了著手點，助力重(zhong)組疫苗、重(zhong)組蛋(dan)白(bai)藥物、和(he)天然(ran)產物的(de)生產。

（文中(zhong)(zhong)(zhong)圖片均為(wei)中(zhong)(zhong)(zhong)國科學院分子植(zhi)物(wu)科學卓越創(chuang)新中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)提供）