中國科學(xué)院的一項研究揭示了驅動(dòng)葉綠體內能量交流的復雜分子機制，為植物生命進(jìn)化中的關(guān)鍵事件提供了新視角，研究成果于近日發(fā)表于《Nature》期刊。

這項研究由中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越中心的范敏銳教授領(lǐng)導，闡明了ATP/ADP轉運蛋白的結構和功能。這種轉運蛋白屬于核苷酸轉運蛋白（NTT）家族，負責在葉綠體膜之間傳遞能量。

研究結果不僅加深了我們對葉綠體共生作用的理解——這一過(guò)程使古老細菌與植物細胞整合為葉綠體——還為提升作物產(chǎn)量和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品提供了潛在的研究方向。

葉綠體對植物的能量生成至關(guān)重要，類(lèi)似于動(dòng)物細胞中的線(xiàn)粒體（細胞的“能量工廠(chǎng)”）。線(xiàn)粒體通過(guò)ATP/ADP轉運體AAC將ATP（細胞的“能量貨幣”）輸送到細胞質(zhì)，同時(shí)引入ADP以合成ATP。相比之下，葉綠體利用NTT蛋白從細胞質(zhì)中引入ATP，以支持光合作用、淀粉合成和脂肪酸合成，同時(shí)釋放ADP和無(wú)機磷酸（Pi）。值得注意的是，葉綠體的NTT蛋白對ATP/ADP具有高度特異性，而某些相關(guān)藻類(lèi)中的蛋白則可以轉運更廣泛的核苷酸。

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圖片信息：葉綠體 ATP/ADP 轉運器介導 ATP 的輸入和 ADP 加磷酸鹽的輸出。

一個(gè)長(cháng)期困擾科學(xué)家的問(wèn)題是葉綠體中NTT蛋白的起源。內共生理論認為，葉綠體起源于藍藻。然而，自由生活的藍藻缺乏NTT蛋白。一種假說(shuō)認為，一個(gè)原始的真核細胞同時(shí)吞噬了一個(gè)藍藻和一個(gè)類(lèi)似于衣原體的細菌。這種藍藻可能通過(guò)水平基因轉移（即生物體之間的基因交換）獲得了來(lái)自衣原體的NTT蛋白，因為衣原體使用類(lèi)似的蛋白質(zhì)從宿主中“竊取”ATP。這種蛋白質(zhì)隨后在葉綠體的進(jìn)化過(guò)程中得以保留。衣原體的“能量寄生”特性以及NTT蛋白的獨特功能多年來(lái)一直吸引著(zhù)科學(xué)家的關(guān)注。

為了驗證這一假說(shuō)，研究團隊在近原子分辨率（2.72-2.90 Å）下確定了來(lái)自擬南芥的葉綠體和肺炎衣原體的NTT蛋白的三維結構。他們發(fā)現，NTT蛋白由12個(gè)跨膜螺旋組成，折疊結構屬于典型的大型促進(jìn)者超家族（MFS）轉運蛋白。研究表明，盡管在物種特異性上存在顯著(zhù)差異，這兩種蛋白的總體結構相似。這一發(fā)現支持了葉綠體NTT蛋白源自類(lèi)似于衣原體的祖先的假說(shuō)。

該研究還識別了NTT蛋白的ATP（或ADP與Pi）結合位點(diǎn)。ATP的結合涉及其三個(gè)組分（腺苷、核糖和磷酸）與NTT蛋白之間的廣泛相互作用。ATP的腺苷部分被芳香族和疏水性氨基酸殘基夾在中間，負電的磷酸基團與周?chē)恼姲被釟埢嗷プ饔谩?/span>

ADP的結合位點(diǎn)與ATP相似，但在構象上存在一些差異：ATP的磷酸基團呈伸展構象，而ADP的磷酸基團則呈折疊狀態(tài)，因此其周?chē)南嗷プ饔脷埢杂胁煌?/span>

有趣的是，Pi的結合位置與ATP的γ-磷酸基團的位置完全相符。為了驗證這些結構發(fā)現，研究人員進(jìn)行了基于化學(xué)發(fā)光的ATP/ADP交換實(shí)驗，以及使用放射性同位素的ATP-32P攝取實(shí)驗。

研究人員還分析了NTT蛋白的熱穩定性，發(fā)現Pi顯著(zhù)增強了ADP的結合，表明兩者之間存在協(xié)同效應。這一發(fā)現與NTT蛋白中ADP和Pi的共轉運特性一致。

此外，研究還發(fā)現，當NTT蛋白中的一個(gè)保守的天冬氨酸殘基（在擬南芥AtNTT1中的N282）突變?yōu)楸彼釙r(shí)，其對其他核苷酸（如GTP、CTP和UTP）的轉運活性顯著(zhù)提高。這表明該殘基在NTT蛋白對ATP的特異性識別中可能發(fā)揮重要作用。

通過(guò)比較不同構象下NTT蛋白的結構，并結合突變和功能實(shí)驗，該研究揭示NTT蛋白的N末端和C末端結構相對剛性。這些結構域之間可以相對運動(dòng)，通過(guò)改變相互作用，促進(jìn)ATP或ADP加Pi的結合、跨膜轉運與釋放。

這種轉運機制符合MFS的“搖桿開(kāi)關(guān)”交替通路模型。在這一模型中，N末端和C末端結構域之間的構象變化使得蛋白質(zhì)能夠交替開(kāi)啟和關(guān)閉其轉運通路，從而確保底物的有效結合與釋放，并促進(jìn)其跨膜轉移。這一機制對于NTT蛋白完成ATP/ADP交換及Pi的共轉運至關(guān)重要。

這項研究不僅揭示了葉綠體和衣原體ATP/ADP轉運體NTT蛋白在底物識別及跨膜轉運中的分子機制，還加深了我們對葉綠體內能量轉移機制的理解。同時(shí)，研究為優(yōu)化NTT蛋白以提高作物產(chǎn)量提供了重要的見(jiàn)解。

雜志：Nature

DOI：10.1038/s41586-025-08743-3