11月15日，国际学术期刊Nature Plants在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）丛尧研究组与中国科学院遗传与发育研究所刘翠敏研究组的合作研究论文“The cryo-EM structure of the chloroplast ClpP complex”。该研究首次解析了莱茵衣藻叶绿体ClpP蛋白酶复合体及其结合辅助分子伴侣Cpn11/20/23的高分辨率冷冻电镜结构，鉴定了ClpP复合体的亚基组成与排布，揭示了辅助分子伴侣Cpn11/20/23调节ClpP蛋白酶水解活性的分子机制。
植物叶绿体内的大部分蛋白质直接或间接参与光合作用。蛋白质稳态主要由负责蛋白质折叠的分子伴侣以及负责蛋白质降解的蛋白酶体调控。研究团队先前发现叶绿体辅助分子伴侣Cpn20与分子伴侣素Cpn60相互作用协助蛋白质折叠，同时Cpn20与ClpP蛋白酶相互作用减慢ClpP降解底物的速度。
研究团队通过亲合标签从莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）叶绿体内纯化了完整的ClpP蛋白酶复合体。质谱及免疫印迹结果表明纯化的蛋白中含有一定量的辅助分子伴侣Cpn11/20/23。体外生化实验证明辅助分子伴侣Cpn11/20/23与ClpP存在相互作用，并且抑制ClpP蛋白酶的底物降解活性。在此基础上，团队首次解析了ClpP复合体以及ClpP-Cpn11/20/23复合体的高分辨率冷冻电镜结构，并进一步确定了ClpP及Cpn11/20/23各亚基的排布，以及两者相互作用的网络和机制（图A、B）。发现Cpn11/20/23结合于ClpP的底物运输通道顶部，抑制了ClpP的蛋白酶活性。Cpn11/20/23利用相同的环结构分别与分子伴侣素Cpn60及ClpP蛋白酶相互作用，表明其在叶绿体内重要的调控作用（图C、D）。
该研究结果首次阐明了真核细胞叶绿体中ClpP复合体的三维结构和催化机理，同时也发现了辅助分子伴侣Cpn11/20/23的全新生化功能，为深入理解分子伴侣素与蛋白酶相互配合共同调节叶绿体内蛋白质稳态提供了新的科学视角。
中国科学院遗传与发育研究所刘翠敏研究员和分子细胞卓越中心丛尧研究员为该论文的共同通讯作者。遗传发育所刘翠敏研究组王宁博士与分子细胞科学卓越中心丛尧研究组汪一帆博士为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家基金委、科技部、中科院和上海市科委等的经费支持，并得到国家蛋白质科学研究（上海）设施的冷冻电镜系统、数据库与计算分析系统及质谱系统的大力支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01020-x
(A) 莱茵衣藻叶绿体ClpP-Cpn11/20/23复合体的冷冻电镜结构。蓝色的为Clp蛋白酶复合体结构，顶部金色的“帽子”结构是辅助分子伴侣Cpn11/20/23。(B) ClpP复合体的亚基排布示意图。(C) 辅助分子伴侣Cpn11/20/23的亚基排布示意图。(D) 辅助分子伴侣Cpn11/20/23调控ClpP复合体的分子机制示意图。
