成熟酶K与新功能化的分支酶在质体内形成剪接复合体

植物如何维持它们的绿色引擎

每一片绿色叶子都依赖称为叶绿体的小隔室将阳光转化为能量。在这些叶绿体内，基因必须被编辑并重新拼接，才能组装出光合作用所需的机器。本研究揭示了一种长期未解的叶绿体蛋白——成熟酶K——如何与一个被重新赋予新功能的酶协作，组装成对植物存活至关重要的剪接机械。

叶绿体内隐藏的编辑工作

植物叶绿体携带自己的小型基因组，其中许多基因被称为内含子的附加片段打断。在这些基因被利用之前，其RNA拷贝必须以一种精确的方式被切割并重新连接，称为剪接。在细菌中，类似的内含子在很大程度上可自行完成该过程，并由每个内含子对应的专门辅助蛋白帮助。然而在陆生植物中，几乎所有此类内含子都丧失了它们的专属助手。只有一个叶绿体基因仍编码一种类似成熟酶的蛋白，称为成熟酶K，以往的线索表明它以某种方式作为许多内含子的通用剪接助剂，而非仅服务于单个内含子。

一个停止参与淀粉反应的分支酶

作者关注于先前被标注为淀粉分支酶的叶绿体蛋白，该蛋白曾被认为参与构建植物淀粉的支链。早期研究显示，这种现在重命名为MKIP1的蛋白在碳水化合物上没有可检测的活性，但对植物胚胎发育却绝对必要。通过进化学比较，研究团队发现MKIP1及其同源物构成了陆生植物和某些藻类中一类独立的群体，与普通的淀粉分支酶区分开来。这类MKIP1型蛋白保留了相同的整体构象，但丧失了参与淀粉化学反应所需的关键氨基酸，取而代之的是获得了一个独特的、突出于蛋白表面的约150个氨基酸插入片段。

组装叶绿体剪接团队

研究者利用工程化表达有标签的MKIP1的植物，从拟南芥和烟草叶片中捕获其结合伙伴。MKIP1始终拉下了成熟酶K以及另外两种必需的叶绿体蛋白：一种tRNA加载酶和一种对叶绿体发育重要但了解甚少的因子。基于大小的叶绿体成分分离显示，这四种蛋白共同以一个大型复合体形式存在，即使在RNA被降解时也仍然在一起，表明它们构成了一个稳定的蛋白机器，而非由RNA松散地连接在一起。借助AlphaFold的计算结构预测显示，这是一种一对一对一对一的组装，并指出MKIP1的特殊插入片段及相邻模块与成熟酶K的前端形成了广泛的接触面。

从淀粉工兵转变为RNA剪接向导

为了解该复合体的功能，团队捕获了与MKIP1结合的RNA并对其测序。MKIP1在所有已知与成熟酶K相关联的叶绿体内含子以及同一转录本的邻近区域上都高度富集，其结合图谱与成熟酶几乎一致。随后，作者使用了一种可诱导的沉默系统，使植物能够正常生长，然后在新生叶片中特异性降低MKIP1水平。当MKIP1被关闭时，这些新叶变得苍白，且其叶绿体内膜很少或发育异常。在分子层面上，受影响的叶片在那些被MKIP1和成熟酶K结合的内含子处显示出显著降低的剪接效率，而其他内含子大多不受影响或仅间接受到影响。作为对照的株系在叶绿体翻译受损但MKIP1本身未受影响的情况下，并未表现出相同的特异性剪接失败。

这对植物生命的意义

结果表明，MKIP1已放弃其祖先在淀粉形成中的角色，转而进化为以成熟酶K为核心的叶绿体RNA剪接复合体中不可或缺的组成部分。通过提供新的蛋白-蛋白接触面并可能为RNA提供额外的停靠点，MKIP1似乎使成熟酶K能够处理比其细菌祖先更广泛的一组内含子，帮助确保许多叶绿体基因被正确编辑和表达。从实际意义上讲，这项工作解释了为什么失去MKIP1对胚胎和幼叶是致命的：没有这个被重新利用的蛋白，叶绿体的遗传信息无法被正确拼接，植物的绿色能量工厂就无法完全形成。

引用: Liang, Y., Gao, Y., Fontana, A. et al. Maturase K forms a plastidial splicing complex with a neofunctionalized branching enzyme. Nat Commun 17, 4341 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70734-3

关键词: 叶绿体RNA剪接, 成熟酶K, MKIP1, 植物叶绿体, 内含子移除