Nature Communications—武国章团队揭示植物响应叶绿体前体蛋白过量积累的调控机制

2025年4月22日，上海交通大学农业与生物学院武国章课题组在国际权威综合性期刊Nature Communications上发表了题为“Chloroplast precursor protein preClpD overaccumulation triggers multilevel reprogramming of gene expression and a heat shock-like response”的研究论文，全面揭示了植物在多层次响应叶绿体前体蛋白积累的细胞学机制，证实蛋白翻译水平调控在激活分子伴侣蛋白（HSP）表达中的重要作用，发现叶绿体活性氧（cpROS）作为叶绿体逆向信号在转录水平激活小分子HSP的表达，证实细胞质分子伴侣ClpB1/HOT1在叶绿体前体蛋白过量积累时维持细胞蛋白稳态中的重要作用，为进一步理解叶绿体蛋白运输调控和逆境下蛋白稳态的维持机制提供了新线索。

俗话说：万物生长靠太阳，植物的叶绿体是接收太阳光能，进行光合作用碳固定的细胞器。作为半自主性细胞器，叶绿体基因组只保留了少量蛋白编码基因，叶绿体内95%以上的蛋白都是在细胞质核糖体上合成前体蛋白，前体蛋白在其N端的叶绿体信号肽引导下进入叶绿体，而后信号肽被剪切掉形成成熟形式的叶绿体蛋白。因此，叶绿体的正常发育和功能发挥均依赖于叶绿体的蛋白内运过程。在高光、高温等逆境条件下，叶绿体的蛋白内运效率下降，会造成叶绿体前体蛋白在细胞质中大量积累，导致细胞质蛋白稳态失衡和胁迫，影响植物生长和作物产量。然而，植物如何响应叶绿体前体蛋白过量积累胁迫（chloroplast precursor overaccumulation stress，cPOS）目前还大部分未知。

本研究通过诱导表达系统和组成型表达系统驱动细胞核编码的叶绿体蛋白ClpD的表达，成功构建了前体蛋白preClpD积累的转基因株系，获得了研究cPOS的良好植物材料。激光共聚焦显微镜观察发现前体蛋白preClpD主要围绕叶绿体外膜成点状聚集体分布，导致叶绿体超微结构受损，造成叶片黄化、光合能力下降、植物生长迟缓等表型。蛋白组学分析以及Western blot验证发现，前体蛋白积累会导致光合作用复合体含量降低，而细胞质核糖体亚基、翻译调控因子、26S蛋白酶体亚基和分子伴侣（HSP）等组分显著积累。Gene Ontology富集分析显示蛋白积累量上升的蛋白富集在“核糖体生物发生”和“蛋白翻译”等过程，多聚核糖体分析进一步证实蛋白翻译水平调控在植物响应前体蛋白过量积累中发挥重要作用。为了探究这些翻译水平调控的具体机制，本研究进行了转录组学和翻译组学联合分析，结合蛋白组学数据，揭示了植物细胞响应前体蛋白过量积累的多层次调控网络。结果显示，当cPOS发生时，叶绿体内的活性氧（cpROS）爆发作为逆向信号在转录水平激活小分子HSP的上调表达。然而，相较于转录水平调控，翻译水平调控在激活HSP表达中发挥更强的作用。为了探究这些HSP在cPOS响应过程中的作用，本研究对翻译水平上调最为显著的HSP100分子伴侣家族成员ClpB1/HOT1蛋白进行功能验证，证实了ClpB1/HOT1在cPOS发生时维持细胞蛋白稳态中的重要作用。

此外，通过分离前体蛋白聚集体（ChloroStore）和质谱鉴定，本研究揭示了植物前体蛋白聚集体的主要组分，以及HSP100和HSP20分子伴侣在ChloroStore形成中和酵母/人类线粒体前体蛋白聚集体MitoStore形成中的保守功能，以及植物ChloroStore的特异性。本研究揭示了植物细胞应对cPOS的多层次响应全景图，为进一步研究提供了线索。 

上海交通大学农业与生物学院博士后洪政辉为论文第一作者，武国章副教授为通讯作者。上海交通大学农业与生物学院硕士生朱丽宇、博士后高琳琳、博士生苏彤，云南大学生命科学学院朱喆、Leonard Krall、武旭娜研究员，德国马普分子植物生理研究所Ralph Bock院士也参与了本项工作。该研究获得国家自然科学基金、上海市现代种业协同创新中心项目、德国马普伙伴研究组项目、上海市“浦江人才”计划、上海市超级博士后、中国博士后面上项目等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59043-3