拟南芥叶绿体基因翻译水平调控研究新进展

来源：植物生物学

叶绿体是植物中由光合细菌共生演化而来的进行光合作用的场所，其可利用太阳能，将二氧化碳和水合物转化为有机物，进而释放氧气。陆地植物中，叶绿体基因组编码大约130个基因，然而在叶绿体中却存在将近3000个蛋白，因此，叶绿体不仅需要其自身编码的蛋白，同时也需要核蛋白的帮助来发挥功能。PPR蛋白就属于由核编码然后输入叶绿体的一种重要蛋白。PPR蛋白具有RNA结合活性，能够调控叶绿体中基因的表达。虽然目前人们对PPR蛋白调控叶绿体基因的表达进行了深入的研究，但是PPR蛋白在被输入到叶绿体之前的是如何被调控的目前还不是很清楚。

近日，英国伯明翰大学生命科学学院Daniel J. Gibbs课题组在Nature Communication杂志在线发表了题为“The Arabidopsis NOT4A E3 ligase promotes PGR3 expression and regulates chloroplast translation”的研究论文，深入阐释了E3泛素连接酶NOT4A调控PPR蛋白PGR3的表达，进而调控叶绿体基因的翻译。

首先，E3泛素连接酶NOT4存在酵母和哺乳动物中，具有RING finger结构域和RNA识别结构域（RRM），NOT4能够与核糖体结合，在mRNA的翻译质量控制以及蛋白合成中发挥了重要的作用。作者将酵母中的NOT4基因在拟南芥中进行了Blast比对，发现在拟南芥中存在3个同源基因，将其命名为NOT4A/B/C，其中只有not4a突变体存在叶片发黄、植株矮小等叶绿体发育异常的表型，而NOT4B/C并没有出现这种表型，因此，作者选择NOT4A进行后续研究。RNA-seq实验检测发现，not4a突变体和野生型相比，其差异变化基因主要聚集于叶绿体相关的功能方面。通过blue native gel（BN-PAGE）实验，作者发现not4a突变体中的光系统II单体和细胞色素b6f复合物与野生型相比明显减少。蛋白质组学分析发现，NOT4A是质体核糖体合成所必需的。not4a叶绿体中mRNA的翻译受到了抑制。进一步的功能分析发现，NOT4A中的RING结构域和RRM结构域都是其发挥功能所必需的。

之后，作者通过分析RNA-seq的数据发现其中一个PPR蛋白PGR3在not4a突变体中的表达发生明显的降低，几乎检测不到该基因的表达。pgr3突变体的表型与not4a类似，而且PGR3能够回复not4a突变体的缺陷表型，证明PGR3与NOT4A处于同一遗传调控途径。

该文章证明了NOT4A在植物的光合作用过程中发挥着重要的作用，而这种功能是通过促进PPR蛋白PGR3的表达和对叶绿体mRNA翻译的调控来实现的。