NC | Ribo-seq应用：叶绿体前体蛋白过量积累导致热激反应和基因表达重编程

叶绿体是内共生细胞器，为植物和多数生物提供氧气和能量。高等植物的叶绿体基因组仅含少量蛋白编码基因，大部分基因已转移至细胞核，由胞质核糖体合成后再导入叶绿体发挥功能。

在植物收到胁迫或导入功能受损时，前体蛋白易在胞质中积累，产生蛋白毒性，再通过泛素–蛋白酶体系统（UPS）清除。研究表明，如gun1和clpc1突变或化学干预可导致前体积累，引发UPS和分子伴侣上调，提示植物存在应对该异常机制。

酵母和哺乳动物中已发现多个线粒体前体应答通路，如mitoRQC、mitoTAD、mitoCPR等，这些通路维持胞质蛋白稳态并保护线粒体功能。相比之下，植物对异常叶绿体前体蛋白积累的应答机制仍知之甚少。

文章索引

【IF】14.7

研究结果

过表达叶绿体前体蛋白preClpD导致其在叶绿体附近形成颗粒，类似于线粒体前体颗粒。

热胁迫等条件下，未转基因植物也积累前体蛋白，影响光合作用效率，降低PSII活性。

二. 叶绿体前体蛋白的积累损害植物生长

研究表明，ClpD前体蛋白积累导致植物生长迟缓、叶绿素下降及光合作用受损。

前体蛋白在叶绿体内积累并形成颗粒，同时伴随ROS积累和类囊体膜损伤，提示前体蛋白积累引发叶绿体前体过度积累胁迫（cPOS）。

三. 叶绿体前体过度积累胁迫（cPOS）引发细胞质翻译与蛋白质量控制上调

为研究植物细胞对叶绿体前体过度积累胁迫（cPOS）的反应，作者对ClpD-GFP #5号样本进行蛋白质组学分析，发现其与WT对照相比，积累了大量上调和下调的蛋白质。

cTP区域肽段表明叶绿体前体在细胞质中的积累，且随着时间推移，光合作用相关蛋白显著下调。蛋白质量控制（PQC）相关蛋白质如分子伴侣、核糖体和翻译因子显著上调，反映了细胞质翻译能力的增加。

此外，Polysome profiling多聚核糖体分析进一步表明cPOS导致细胞质翻译增强，与线粒体应激下翻译抑制的情况形成对比。

四. 叶绿体前体过度积累胁迫（cPOS）下的转录和翻译重塑

为了研究增强的细胞质翻译在cPOS反应中的作用，作者通过Ribo-seq核糖体印迹分析和RNA-seq对ClpD-GFP #5和WT幼苗进行了分析，发现转录和翻译输出之间存在较弱的相关性，支持翻译调控在cPOS反应中的重要作用。

通过比较翻译效率（TE），发现405个基因翻译上调，298个基因下调。同时，RNA编辑在叶绿体和线粒体中受到影响，许多与RNA编辑相关的基因上调。

光合作用相关蛋白的翻译后调控显著，尤其是热休克蛋白和分子伴侣的翻译激活在细胞质中起到重要作用，可能是对叶绿体前体积累过多的细胞反应。

五. 叶绿体ROS在小热休克蛋白（sHSPs）转录激活中的作用

ClpD-GFP #5幼苗中，减少的核编码亚基进口抑制了光系统的生物合成，并导致过氧化氢（H2O2）积累。

ROS作为重要的信号分子，通过叶绿体衍生ROS（cpROS）作为逆行信号，促进sHSPs的转录激活。抗氧化剂GSH抑制了大部分sHSP的转录诱导，表明ROS对这些基因的诱导是必需的。

六. ClpB1/HOT1在维持cPOS细胞蛋白稳态中发挥关键作用

ClpD-GFP过表达株系对HSP70和HSP90抑制剂敏感，免疫共沉淀分析发现翻译相关蛋白在前ClpD颗粒中积累，提示它们可能在局部翻译中发挥作用。

HSP100家族分子伴侣ClpB1/HOT1（HOT1）与前体ClpD-GFP结合，并参与维持细胞质蛋白稳态，调节cPOS反应。

研究结果表明，cPOS通过上调热休克蛋白翻译维持细胞蛋白稳态。

总结

本研究揭示了细胞在叶绿体前体蛋白过量积累（cPOS）时通过翻译激活细胞质伴侣蛋白（HSPs）的表达，并且叶绿体前体蛋白来源的活性氧（ROS）作为逆行信号激活小型HSPs的转录。此外，ClpB1/HOT1伴侣蛋白在维持细胞蛋白稳态中起关键作用。

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