我們熟知的植物和藻類(lèi)的葉綠體，其實(shí)起源于遠(yuǎn)古時(shí)期被吞噬的藍(lán)細(xì)菌。隨著演化，大部分葉綠體蛋白的基因已轉(zhuǎn)移至宿主細(xì)胞核中。但這個(gè)過(guò)程是如何發(fā)生的？原始宿主的基因，是怎樣開(kāi)始"接管"那個(gè)外來(lái)細(xì)胞器的運(yùn)營(yíng)管理的？

　　近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature Communications》的新研究首次揭示：一種名為Rapaza viridis的單細(xì)胞鞭毛蟲(chóng)，能夠“偷取”綠藻的葉綠體，并用自身核基因編碼的蛋白維持其功能，形成瞬時(shí)的分子嵌合體。這一發(fā)現(xiàn)為理解真核生物如何演化出細(xì)胞器提供了全新視角。

　　圖1  R. viridis 的盜食質(zhì)體（kleptoplasty）過(guò)程與蛋白核轉(zhuǎn)化示意圖

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)了37個(gè)R. viridis核基因編碼的蛋白，它們帶有葉綠體相關(guān)功能域，表達(dá)水平與關(guān)鍵線(xiàn)粒體基因相當(dāng)。約40%的蛋白與眼蟲(chóng)藻（Euglenophyceae）同源；約20%與綠藻Tetraselmis同源；但沒(méi)有一個(gè)與當(dāng)前供體藻株完全相同，說(shuō)明這些基因是在遠(yuǎn)古時(shí)期轉(zhuǎn)移而來(lái)，并在R. viridis中獨(dú)立演化。這些蛋白包括：光合電子傳遞鏈組分（如LHC、PSII亞基）；Calvin-Benson循環(huán)酶（如RuBisCO相關(guān)因子）；葉綠體蛋白酶、糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。

　　圖2 基因表達(dá)高峰出現(xiàn)在不同階段

　　為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員使用特異性抗體和CRISPR/Cas9基因編輯，對(duì)兩個(gè)候選蛋白進(jìn)行了定位：RvRbcS-like（RuBisCO小亞基類(lèi)似蛋白），RvRca-like（RuBisCO活化酶同源物）。

　　圖3 RvRbcS樣與RvRcal樣蛋白翻譯產(chǎn)物的特性分析

　　在HA標(biāo)簽敲入的R. viridis中，RvRbcS-like與葉綠素自熒光共定位，且與RuBisCO大亞基（RbcL）信號(hào)高度重疊，說(shuō)明它定位在葉綠體的蛋白核中。RvRca-like同樣被定位于盜食質(zhì)體內(nèi)部，而敲除株中無(wú)信號(hào)。這證明：宿主核基因編碼的蛋白確實(shí)被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)了“偷來(lái)的”葉綠體，并在那里發(fā)揮功能。為了驗(yàn)證功能重要性，研究人員分別敲除了RvRbcS-like和RvRca-like，并觀察表型。

　　圖4 表型與氧氣數(shù)據(jù)

　　ΔRvRbcS-like 生長(zhǎng)幾乎停滯，3周內(nèi)死亡；ΔRvRca-like 生長(zhǎng)初期正常，后期略降。野生型在平臺(tái)期大量積累淀粉樣多糖；ΔRvRbcS-like 幾乎沒(méi)有多糖；ΔRvRca-like 部分減少。

　　使用Hansatech公司的Clark型液相氧電極系統(tǒng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，相比于野生型，ΔRvRbcS-like光合放氧下降約50%，即使在強(qiáng)光下也無(wú)法恢復(fù)；ΔRvRca-like第8天測(cè)定時(shí)顯著低于野生型，但下降較溫和。野生型中，供體藻的RbcS逐漸下降，而宿主RvRbcS-like逐漸上升；ΔRvRbcS-like 中，RuBisCO大亞基（RbcL）也隨之降解，說(shuō)明RuBisCO復(fù)合體因缺少小亞基而瓦解。RvRbcS-like 是維持高效光合作用的核心蛋白；RvRca-like 在長(zhǎng)期穩(wěn)定RuBisCO活性中起作用，缺失后表現(xiàn)為延遲性衰退。R. viridis 如何將自身蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)偷來(lái)的葉綠體？研究人員發(fā)現(xiàn)，這些蛋白的N端低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)域（NtLCD）可能是信號(hào)肽。

　　圖5 熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)

　　將RvRbcS-like的NtLCD融合到熒光素酶N端：熒光素酶被成功導(dǎo)入盜食質(zhì)體(kleptoplast)，與葉綠素共定位。這直接證明：NtLCD足以引導(dǎo)蛋白進(jìn)入偷來(lái)的葉綠體，且該信號(hào)在進(jìn)化上可能保守。

　　圖6 R. viridis中潛在葉綠體定位蛋白的NtLCD特征分類(lèi)

　　35個(gè)候選蛋白的NtLCD長(zhǎng)度在134–320氨基酸之間，可分為四類(lèi)：Class IA（最常見(jiàn)）：兩個(gè)跨膜螺旋，中間有富含羥基化氨基酸的親水段，C端酸性；Class IB：多一個(gè)跨膜螺旋；Class IC：中間段較短，無(wú)酸性C端；Class II：只有一個(gè)跨膜螺旋。這些結(jié)構(gòu)與眼蟲(chóng)藻Euglena gracilis的葉綠體信號(hào)肽高度相似，暗示可能存在一個(gè)保守但未知的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。這項(xiàng)研究首次在蛋白水平上證實(shí)了瞬時(shí)分子嵌合體的存在，揭示了一個(gè)關(guān)鍵事實(shí)：宿主細(xì)胞可以在沒(méi)有供體細(xì)胞核的情況下，通過(guò)自身基因表達(dá)維持“偷來(lái)的”葉綠體的功能，甚至進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能重塑。