编辑推荐：
为探究叶绿体蛋白质运输机制，研究人员对 TOC、TIC 复合物等进行研究，揭示运输过程，助力理解植物生理。
叶绿体蛋白质运输机制研究解读
在植物的微观世界里，叶绿体宛如一座神奇的 “绿色工厂”，承担着光合作用这一至关重要的任务，将光能转化为化学能，为植物生长提供能量，还源源不断地生产氧气和各种营养物质。它的诞生源于一场奇妙的内共生事件，远古时期，一个光合蓝细菌被宿主细胞 “吞入”，逐渐演变成了如今的叶绿体。
然而，随着漫长的进化历程，叶绿体发生了巨大变化。曾经拥有的遗传自主性大幅丧失，多数基因转移到了宿主细胞的细胞核中，如今其基因组仅能编码约 100 种蛋白质。这就意味着，近 3000 种叶绿体所需的蛋白质都要先在细胞质中合成，再精准无误地运输到叶绿体里。可这个运输过程困难重重，就像在复杂的迷宫中寻找出口，蛋白质如何在细胞这个 “庞大城市” 中找到前往叶绿体的路？又怎样顺利穿过叶绿体的重重 “屏障” 进入内部发挥作用？这些问题一直困扰着科学家们。为了揭开这些谜团，德国慕尼黑大学（Ludwigs - Maximilians - Universit?t München）的 Bettina B?lter 和 Jürgen Soll 展开了深入研究，相关成果发表在《BIOspektrum》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在蛋白质相互作用研究方面，运用了生物化学和生物物理方法，来确定蛋白质之间的结合关系，如确定 TOC 和 TIC 复合物中各蛋白质成分的相互作用。通过结构分析技术，像冷冻电镜（Cryo - EM），解析了相关蛋白质复合物的结构，为理解蛋白质运输机制提供了关键信息。
蛋白质通往叶绿体的 “起点站”：细胞质中的准备工作
大多数运往叶绿体的蛋白质起初以前体蛋白（preprotein）的形式存在，它们带着一段独特的 “导航标签”——N 端延伸的转运肽（Transitpeptid/TP）。这段转运肽虽然没有像内质网（ER）信号肽那样的特征性一致序列，但也有自己的特点，比如缺少带负电的氨基酸，使得整体呈正电荷，并且富含丝氨酸和苏氨酸。这些氨基酸可以被磷酸化，进而被由 Hsp70 和 14 - 3 - 3 蛋白组成的细胞质分子伴侣复合物识别。研究发现，有三种激酶参与了转运肽的磷酸化过程，当其中两种激酶缺失且第三种激酶表达下调时，会导致植物在萌发过程中变绿延迟，这是因为叶绿体分化变慢。不过，磷酸化和分子伴侣复合物的结合虽然能促进蛋白质的运输动力学，但对细胞内的分选特异性并无关键作用，而后续的去磷酸化却是蛋白质进入叶绿体的绝对必要条件。
外膜 “关卡”：TOC 复合物的精细调控
与 Hsp70/14 - 3 - 3 结合的前体蛋白，主要被 GTPase 受体 Toc33/34 和 Toc159/132/120/90 识别并结合，然后被传递到转运通道 Toc75。此外，由 Hsp90 和 Hsp70 组成的另一个分子伴侣复合物，能结合特定的前体蛋白亚群，这些前体蛋白随后被 Toc64 通过其四肽重复（TPR）结构域识别，Toc64 再将它们传递给 Toc34/Toc159 蛋白。整个识别和传递过程受到磷酸化和 GTPase 循环的精确调控，尽管具体的分子机制仍存在争议。
Toc75 是外膜的转运通道，属于进化保守的 Omp85 家族，具有 β 桶状膜结构。它是拟南芥中的必需基因，与 Toc34 和 Toc159 共同构成 TOC 复合物的核心。除了形成孔道的 β 桶结构，大多数 Omp85 类似蛋白还具有 N 端与多肽运输相关的（POTRA）结构域，参与蛋白质运输和插入过程。在叶绿体的外膜上，还发现了另一种 Omp85 类似蛋白 OEP80，它与细菌的 Omp85 蛋白亲缘关系更近，研究推测它可能参与 β 桶形成蛋白在外膜的插入过程。OEP80 同样是必需基因，不过缺失该基因导致的发育表型比 Toc75 缺失时稍轻。这些蛋白质的存在表明，叶绿体的外膜和内膜一样，都起源于内共生的蓝细菌。
穿越 “间隙”：内膜与外膜之间的护送
在前体蛋白从 TOC 复合物转移到 TIC 复合物的过程中，它们会在膜间隙被 Tic22 和 Tic236 “护送”，避免聚集。Tic22 是一种可溶性蛋白，而 Tic236 锚定在内膜上，它长长的延伸部分一直连接到外膜，成为两个运输复合物之间的连接元件。这种类似的系统在细菌（TamB）中也存在，说明其在功能和结构上具有进化保守性。
进入 “核心区域”：内膜的挑战与谜团
前体蛋白要进入叶绿体基质，必须跨越内膜这道最后的 “屏障”。然而，TIC 复合物的组成和分子功能一直存在争议。早期研究认为 Tic110、Tic40 和 Tic20 是核心成分，而新的数据表明 Tic214/Ycf1、Tic100、Tic56 与 Tic20 共同构成了通用的导入装置。
关于 Tic110 的拓扑结构和功能存在多种假设，一种观点认为它是 TIC 复合物的中央通道，由两亲性 α 螺旋组成 C 端二聚体；另一种观点则认为它只是 N 端锚定的支架蛋白，C 端可溶，用于与基质分子伴侣结合。虽然这一争议尚未解决，但 Tic110 与 Tic40 的相互作用是明确的，Tic40 作为辅助分子伴侣，负责招募基质分子伴侣。Tic20 在一个独立的高分子量复合物中被发现，被认为是转运通道的候选蛋白之一。最近解析的绿藻和拟南芥中分离出的活性 TOC/TIC 超复合物的冷冻电镜结构支持了 Tic20 与其他蛋白质（Tic20–Tic214–Ctap5–Simp1 复合物）共同形成通道的假设，该复合物还包含 Tic100、Tic56 以及作为与 TOC 复合物连接元件的 Tic236。
不过，一个令人困惑的问题是，Tic214/Ycf1 在所有单子叶植物（如禾本科植物）以及许多双子叶植物中都不存在。虽然进化过程中可能形成了特殊的 “禾本科” 导入装置，但某些双子叶植物中通用导入机制的缺失仍难以解释。而 Tic110 和 Tic20 在所有 “绿色真核生物” 的基因组中都存在，这表明它们在叶绿体蛋白质运输中具有不可或缺的功能。
此外，与导入装置相关的基质运动复合物的身份也不完全明确。早期实验发现多种分子伴侣（Hsp70、Hsp93/ClpC、Cpn60）与导入成分和转运的前体蛋白有关，目前的研究则表明 FtsH 家族的多种蛋白质是导入运动复合物的核心成分。这些蛋白质属于 AAA - ATP 酶，在许多情况下具有蛋白酶活性，但在作为运动复合物时失去了蛋白酶功能，它们都依赖 ATP 作为能量来源。在蛋白质运输过程结束时，转运肽会被一种特定的基质蛋白酶切割，这样成熟的蛋白质就能折叠成天然结构，并运输到最终的作用位点。
叶绿体蛋白质还需要被运输到叶绿体的六个不同区域（外膜、膜间隙、内膜、基质、类囊体膜和类囊体腔），每个区域都有特定的成分负责蛋白质的插入和运输，例如 Oxa 蛋白和 SEC 同源物负责内膜插入，Alb3/4、SRP 和 TAT 蛋白负责类囊体膜和腔的运输，还有一种不太清楚的运输途径涉及内膜小泡的形成和与类囊体的融合。
这项研究深入揭示了叶绿体蛋白质运输的复杂机制，从蛋白质在细胞质中的初始合成，到穿越叶绿体的重重膜结构，每个环节都充满了精细的调控和奥秘。研究成果不仅帮助我们更深入地理解了植物细胞的基本生理过程，也为后续研究叶绿体的功能、植物的生长发育以及应对环境变化等方面提供了重要的理论基础。未来，随着研究的不断深入，有望进一步揭开叶绿体蛋白质运输过程中更多未被发现的细节，为农业生产、生物技术等领域带来新的思路和突破。
