Structure and function of the chloroplast transcription machinery

叶绿体转录机制的结构和功能

基本信息

  • 批准号:
    MR/X033481/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 195.12万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Fellowship
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2024 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Plant growth is driven by photosynthesis. Yet how plants produce their photosynthetic proteins is not well understood. The chloroplast contains a genome that encodes key photosynthetic proteins and a unique molecular machinery that expresses them. Despite their importance, how the chloroplast gene expression machinery functions has not been characterised in detail. This project focuses on the first stage of gene expression in the chloroplast, in which genes are transcribed to produce messenger RNAs (mRNAs) that encode photosynthetic proteins. Regulation of chloroplast transcription underpins a key stage of plant development: the maturation of chloroplasts in response to light. This process is observable in the plant turning green and allows photosynthetic proteins to be selectively produced when solar energy is available for them to collect. Yet how chloroplast transcription is activated is not well understood.To advance our understanding of chloroplast transcription and the mechanism of its activation, we will characterise the enzyme that performs this process: the plastid-encoded polymerase (PEP). PEP is a large molecular assembly with at least 16 protein subunits. PEP is remarkable amongst transcription enzymes in that it contains subunits of two evolutionary origins. The core resembles bacterial enzymes and was inherited with the chloroplast genome from a cyanobacterial ancestor. By contrast, the twelve or more proteins that stably bind to the core are encoded in the nuclear genome and imported to the chloroplast. We therefore expect that these proteins, known as PAPs (PEP-associated proteins), orchestrate key regulatory processes unique to the chloroplast.In this project we will visualise the molecular architecture of the chloroplast transcription machinery using cryogenic electron microscopy (cryo-EM). Atomic models of PEP will shed light on how each subunit regulates transcription in response to the needs of the chloroplast. The level of detail provided by modern cryo-EM is immensely valuable to developing new hypotheses, as precise modifications can be designed with predictable changes in activity. We will examine the consequences of making specific changes, using transcription reactions reconstituted with purified components and plant genetic complementation experiments. The outcome will be a better understanding of what role each component of PEP has, how it performs it, and why these processes are essential to chloroplast development and photosynthesis.This project is expected to deepen our fundamental understanding of the biochemical basis of transcription. Decades of detailed study have been performed on the proteins that perform transcription in the eukaryotic nucleus and bacteria. This has shown that collating information about diverse proteins is essential to inferring general principles of how gene expression is regulated. Understanding the unique set of proteins that act on chloroplast genes therefore represents an exciting opportunity to advance this. Transcription regulation is a key component to human health and disease, and this research consequently has diverse potential uses. Photosynthesis has a central role in producing the oxygen and energy that sustains much of life on earth. Detailed structural and biochemical studies on the photosynthetic proteins have revealed in detail how they harness solar energy, and this has provided a valuable foundation for crop improvement and development of diverse biotechnologies. By contrast, equivalent mechanistic studies of the gene expression processes that underpin production of the photosynthetic proteins are largely lacking. This project will answer a complementary set of questions: what determines the timing and level of photosynthetic protein production, and how could we modify this to develop more robust crops and new biotechnological applications?
植物的生长是由光合作用驱动的。然而,植物如何产生它们的光合作用蛋白还没有被很好地理解。叶绿体包含一个编码关键光合蛋白的基因组和一个表达这些蛋白的独特分子机制。尽管它们很重要,但叶绿体基因表达机制是如何发挥作用的还没有详细的描述。这个项目的重点是叶绿体基因表达的第一阶段,在这个阶段,基因被转录成信使RNAs(MRNAs),编码光合蛋白。叶绿体转录调控是植物发育的一个关键阶段:叶绿体对光的反应成熟。这一过程在变绿的植物中可以观察到,并允许在太阳能可供它们收集时选择性地产生光合作用蛋白质。然而,叶绿体转录是如何被激活的还不是很清楚。为了促进我们对叶绿体转录及其激活机制的理解,我们将描述执行这一过程的酶:叶绿体编码聚合酶(PEP)。PEP是由至少16个蛋白质亚基组成的大分子组合体。在转录酶中,PEP是值得注意的,因为它包含两个进化起源的亚基。核心类似细菌酶,是从蓝藻祖先的叶绿体基因组中遗传过来的。相比之下,稳定结合到核心的12种或更多蛋白质在核基因组中编码,并输入到叶绿体中。因此,我们希望这些被称为PAPs(PEP相关蛋白)的蛋白质能够协调叶绿体特有的关键调控过程。在这个项目中,我们将使用低温电子显微镜(Cryo-EM)来可视化叶绿体转录机制的分子结构。PEP的原子模型将阐明每个亚基如何调节转录,以响应叶绿体的需要。现代低温EM提供的细节水平对于开发新的假说非常有价值,因为可以根据活动的可预测变化来设计精确的修改。我们将使用由纯化成分重组的转录反应和植物遗传互补实验来检查做出特定变化的后果。其结果将是更好地理解PEP的每个组成部分都有什么作用,它是如何发挥作用的,以及为什么这些过程对叶绿体发育和光合作用是必不可少的。这个项目有望加深我们对转录的生化基础的基本理解。几十年来,人们对在真核细胞和细菌中进行转录的蛋白质进行了详细的研究。这表明,整理关于不同蛋白质的信息对于推断基因表达如何调控的一般原则是必不可少的。因此,了解作用于叶绿体基因的一组独特的蛋白质是推动这一进程的一个令人兴奋的机会。转录调控是人类健康和疾病的关键组成部分,因此这项研究具有不同的潜在用途。光合作用在产生氧气和能量方面起着核心作用,这些氧气和能量维持着地球上的大部分生命。对光合作用蛋白进行了详细的结构和生化研究,详细揭示了它们是如何利用太阳能的,这为作物改良和开发各种生物技术提供了宝贵的基础。相比之下,对支撑光合作用蛋白质生产的基因表达过程的等效机制研究在很大程度上是缺乏的。这个项目将回答一系列补充问题:是什么决定了光合作用蛋白生产的时间和水平,我们如何才能改变这一点,以开发更健壮的作物和新的生物技术应用?

项目成果

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