葉綠體是植物和藻類(lèi)細(xì)胞中可以通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的細(xì)胞器。作為一種由兩層膜包被的特殊細(xì)胞器，葉綠體含有其自身的基因組，其表達(dá)是與核基因組的表達(dá)緊密協(xié)調(diào)的。

葉綠體的蛋白質(zhì)有兩種來(lái)源，有一小部分（50-200個(gè)）是由葉綠體基因組編碼，而大多數(shù)的其它葉綠體蛋白質(zhì)（2000-3000個(gè)）則是由核基因編碼的。核基因編碼的葉綠體蛋白前體（preprotein）是在細(xì)胞質(zhì)中由80 S核糖體合成，其氨基端帶有一段轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transit peptide）。轉(zhuǎn)運(yùn)肽起到類(lèi)似于進(jìn)入葉綠體的入場(chǎng)券的作用。前體蛋白需要通過(guò)位于葉綠體內(nèi)外膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物（“傳送器”）介導(dǎo)被運(yùn)送到葉綠體中。位于葉綠體外膜上的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體被稱(chēng)為T(mén)OC（Translocon on the Outer Chloroplast membrane），而位于內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體為T(mén)IC（Translocon on the Inner Chloroplast membrane）。TOC和TIC是由多個(gè)蛋白亞基組成的膜蛋白復(fù)合體，可介導(dǎo)眾多不同葉綠體蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。它們對(duì)于葉綠體的生成、光合作用復(fù)合體的組裝以及各種代謝途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵的作用。

在過(guò)去30年間，組成TOC和TIC的不同蛋白亞基陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)并得到鑒定和研究。近年來(lái)的工作揭示了植物和綠藻葉綠體中存在一種由TOC和TIC共同組成的超分子復(fù)合體（TOC-TIC超復(fù)合體）。然而，TOC和TIC中各亞基之間如何組裝在一起形成運(yùn)送蛋白質(zhì)的孔道？二者之間如何進(jìn)一步組裝形成跨越內(nèi)外膜的超分子復(fù)合體，前體蛋白的運(yùn)輸路徑位于傳送器的哪個(gè)部位？這一系列的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的答案都還不清楚，有待進(jìn)一步的研究來(lái)闡明。

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所柳振峰課題組與瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Jean-David Rochaix教授合作，在 Nature 期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為：Architecture of chloroplast TOC-TIC translocon supercomplex 的研究論文。

這項(xiàng)研究通過(guò)解析萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）來(lái)源的TOC-TIC超分子復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1），發(fā)現(xiàn)并定位了組成該復(fù)合體的13個(gè)不同蛋白亞基。除了Tic214蛋白是由葉綠體基因編碼外，其它蛋白都是由核基因編碼的。這些蛋白共同組成了位于外膜的TOC復(fù)合物、膜間隙復(fù)合物（ISC）和位于內(nèi)膜的TIC復(fù)合物。

圖1：葉綠體TOC-TIC超復(fù)合體負(fù)責(zé)將胞質(zhì)中合成的前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體。超復(fù)合體中的不同蛋白質(zhì)亞基著以不同的彩色加以區(qū)分，灰色部分為內(nèi)膜和外膜的一部分。背景的左上角為細(xì)胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，右下角為葉綠體的一部分。

令人意外的是，*大的一個(gè)膜蛋白Tic214跨越內(nèi)膜、膜間隙和外膜，如同一座橋連接了位于內(nèi)外膜和膜間隙的不同蛋白亞基，并且很可能是起到類(lèi)似于腳手架的作用（圖2）。位于外膜上的TOC復(fù)合物主要是由Toc34、Toc90和Toc75共同形成，Ctap4-Ctap3復(fù)合物位于Toc90的側(cè)面。Toc90和Toc75蛋白在外膜上形成一種混合的β-桶狀結(jié)構(gòu)，有一個(gè)朝向胞質(zhì)側(cè)的入口和兩個(gè)朝向膜間隙開(kāi)放的出口，并且還有一個(gè)面向膜內(nèi)脂雙層的側(cè)向開(kāi)口。Toc90和Tic214相互作用的界面上存在一個(gè)六磷酸肌醇（也稱(chēng)植酸，InsP6）分子，起到穩(wěn)定TOC復(fù)合物裝配的作用。膜間隙復(fù)合物主要包括Tic214、Tic100、Tic56、Ctap3和Ctap5，它們相互纏繞并形成梯形塔狀結(jié)構(gòu)。位于內(nèi)膜上的TIC復(fù)合物主要包括Tic214、Tic20、Ctap5以及三個(gè)分別命名為Simp1、Simp2和Simp3的小亞基。在Tic214和Tic20界面的孔道中還發(fā)現(xiàn)四個(gè)脂類(lèi)分子，它們起到穩(wěn)定內(nèi)膜復(fù)合物組裝和防止?jié)B漏的作用。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)TOC和TIC復(fù)合物中的孔道特??進(jìn)行了細(xì)致分析，并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)肽和TIC復(fù)合物的相互作用進(jìn)行了預(yù)測(cè)。此外，該研究中還觀(guān)察到分別位于TOC和TIC中的兩個(gè)孔道是由位于膜間隙區(qū)的表面溝槽連接。在綜合考慮前人的生物化學(xué)和功能研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出前體蛋白可通過(guò)TOC-TIC超復(fù)合體中的多個(gè)不同轉(zhuǎn)運(yùn)途徑進(jìn)行分選和進(jìn)入葉綠體內(nèi)部的不同微區(qū)。