郁飞教授团队在类囊体膜蛋白稳态研究取得新进展

近日，郁飞教授团队在Plant Physiology在线发表了题为“Chloroplast SRP54 and FtsH protease coordinate thylakoid membrane associated proteostasis in Arabidopsis” 的研究论文，硕士研究生雷洋为该论文第一作者，硕士研究生李碧浪为并列第一作者，郁飞教授为参与作者，齐亚飞副教授为通讯作者。报道了拟南芥光形态建成过程中，cpSRP54与类囊体膜FtsH协同参与类囊体膜蛋白稳态调控的分子机制。

叶绿体与类囊体膜的生物发生需要积累大量的光合作用复合体，如捕光天线蛋白LHC与光系统反应中心蛋白。这些光合作用复合体的稳态积累涉及到光合作用蛋白的翻译合成、加工、靶向类囊体膜的转运、以及与光合色素共同组装形成复合体等生物学过程。虽然类囊体膜蛋白稳态在叶绿体形态建成、光合作用功能维持、植物生长发育等方面发挥着至关重要的作用，然而错误折叠或者未折叠的类囊体膜光合作用蛋白的降解机制目前仍不明确。

为了探索光合作用复合体稳态积累的调控机制，课题组前期筛选获得了一系列 pale green arabidopsis 淡绿叶色突变体，表现出明显的去黄化延迟，光合作用复合体积累下降等表型。本研究鉴定到 PGA4 编码叶绿体信号识别颗粒蛋白cpSRP54。为了探索cpSRP54介导的捕光天线蛋白LHC的类囊体靶向机制，本研究构建了 LhcB2-GFP 转基因植物，发现LhcB2-GFP脱辅基蛋白可以被cpSRP54靶向至类囊体膜上，但是由于不能正确组装，LhcB2-GFP发生氨基端降解，形成dLhcB2-GFP。在 cpSRP54 的缺失突变体 pga4-1 和 pga4-2 中，错误折叠蛋白LhcB2-GFP向dLhcB2-GFP的降解完全受到抑制，并形成不溶于非离子去污剂的蛋白聚集，表明LhcB2-GFP的氨基端降解发生在类囊体膜上。拟南芥类囊体膜FtsH是依赖于ATPase的AAA金属蛋白酶，本研究继续探索了 AtFtsH2 不同等位突变体 var2-3 、 var2-4 和 var2-5 中LhcB2-GFP 的积累情况，发现FtsH2的ATPase活性下降能够抑制LhcB2-GFP的降解。 var2-3 和 var2-4 中未降解的LhcB2-GFP也形成不溶于非离子去污剂的蛋白聚集。酵母双杂交实验表明AtFtsH2的M41金属蛋白酶结构域与LhcB2的氨基端肽段存在物理互作。这些证据表明类囊体膜FtsH参与未折叠LhcB2-GFP的氨基端降解。遗传学实验表明 cpSRP54 / PGA4 是 var2 “花斑”表型的抑制基因，暗示类囊体膜蛋白稳态平衡能够影响 var2 的“花斑”表型和叶绿体发育。利用错误折叠的LhcB2-GFP为指示底物，该研究揭示了cpSRP54和类囊体膜FtsH参与类囊体膜蛋白质量控制的新机制，为叶绿体和类囊体膜蛋白稳态调控机制提供了新见解。

郁飞教授课题组围绕植物生长发育的环境适应机理，以拟南芥“淡绿”、“渐绿”和“花斑”等叶色突变体为材料，探索叶绿体发育与光合作用蛋白稳态积累的调控机理。

该研究得到国家自然科学基金和旱区作物逆境生物学国家重点实验室的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad199