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在植物细胞中，叶绿体前体蛋白积累的调控机制尚不明确。为此，研究人员以拟南芥为材料，通过过表达 ClpD/ClpD-GFP 研究叶绿体前体积累应激（cPOS）。结果发现 cPOS 诱导热激样反应，还揭示了 cpROS 和 ClpB1/HOT1 的重要作用，为作物改良提供策略。
在神奇的植物世界里，叶绿体就像是一个个绿色工厂，为地球上大多数生物提供氧气，还为植物生长及其他生物供应能量。叶绿体中的众多蛋白质由细胞核基因编码，这些蛋白质以前体形式在细胞质核糖体上合成，再转运到叶绿体中发挥作用。然而，当环境压力或基因扰动出现时，叶绿体前体蛋白就可能在细胞质中积累，可别小瞧这种积累，它对细胞来说是个大麻烦，就像工厂里原材料堆积，生产线被堵塞一样。目前，细胞对叶绿体前体蛋白异常积累的响应和调控机制大多还是谜团，这就好比我们不知道工厂应对原材料堵塞的方法。为了解开这个谜团，上海交通大学的研究人员展开了深入研究，他们的成果发表在《Nature Communications》上，这一研究对理解植物细胞生理以及作物改良意义重大。
研究人员运用了多种技术方法来开展研究。在实验材料上，选用了拟南芥不同突变体和转基因植株；分析蛋白质和基因表达时，采用了蛋白质组学、RNA 测序（RNA-seq）和核糖体图谱分析（Ribo-seq）技术；在亚细胞定位和蛋白相互作用研究方面，使用了共聚焦激光扫描显微镜观察以及免疫共沉淀（co-IP）技术 。
下面来看看具体的研究结果：
- 前体颗粒在叶绿体附近形成：研究人员构建了诱导型 ClpD 和 ClpD-GFP 过表达拟南芥株系，发现前体 ClpD（preClpD）和 ClpD-GFP 在诱导后积累模式不同，且 preClpD-GFP 在诱导 2 天后会在叶绿体附近形成点状颗粒，类似酵母和人类细胞中的线粒体前体颗粒。并且，这种现象在不同遗传背景植株中都存在，且与叶绿体导入能力相关，同时还发现叶绿体前体积累会降低光合作用活性，影响植物生长。
- cPOS 响应中细胞质翻译和 PQC 上调：通过蛋白质组学分析，研究人员发现与野生型相比，ClpD-GFP 过表达株系中蛋白质积累变化明显，下调的大多是叶绿体定位的光合作用相关蛋白，而上调的则富集在蛋白质质量控制（PQC）相关过程，如 “蛋白质折叠”“核糖体生物发生” 等，还发现细胞质核糖体亚基和翻译能力在 cPOS 响应中增加，这与酵母线粒体导入应激时的情况相反。
- cPOS 时的转录和翻译重塑：结合 RNA-seq 和 Ribo-seq 分析，研究人员发现 cPOS 存在较强的翻译调控，许多基因在转录和翻译水平的变化并不一致。比如，与核糖体生物发生和 rRNA 加工相关的基因转录上调，但翻译受到抑制；部分与细胞器 RNA 代谢相关的基因转录上调，且影响了质体和线粒体的 RNA 编辑；同时，光合作用相关基因在翻译输出和蛋白质丰度之间的相关性较差，而热激蛋白（HSPs）基因的表达主要通过翻译激活上调。
- 叶绿体 ROS 对 sHSPs 转录激活的作用：ClpD-GFP 过表达导致叶绿体中过氧化氢积累，研究发现叶绿体来源的 ROS（cpROS）是 sHSPs 转录诱导的逆行信号，用抗氧化剂处理会抑制 sHSPs 的转录上调，说明 cpROS 在其中起着关键作用。
- ClpB1/HOT1 在 cPOS 中维持细胞蛋白质稳态的作用：研究发现 ClpD-GFP 过表达株系对 HSP70 和 HSP90 抑制剂敏感，表明 HSP70/90 在 cPOS 响应中有潜在作用。通过免疫共沉淀和相关实验，证实 ClpB1/HOT1 与 preClpD-GFP 相关，它参与维持细胞蛋白质稳态，缺失 HOT1 会加重植株表型，使多聚泛素化蛋白积累增加。
研究结论和讨论部分指出，叶绿体前体蛋白积累会引发一系列细胞变化，如导致植物表型改变、叶绿体发育受阻等。与线粒体前体积累应激（mPOS）类似，细胞会通过上调 UPS 和分子伴侣来应对，但也存在差异，如 cPOS 中细胞质核糖体蛋白和翻译调控蛋白的表达增加。此外，研究还发现了叶绿体前体颗粒（ChloroStore），其功能和形成机制与线粒体前体颗粒（MitoStore）既有相似之处又有不同。这些发现揭示了细胞对叶绿体前体蛋白积累的系统响应，为作物改良提供了潜在策略，比如通过调控叶绿体前体蛋白的稳态，可能改善作物的光合作用效率、提高作物抗逆性等，对未来农业发展具有重要的理论指导意义 。
