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1、分子细胞生物学结课论文关于一个基因复合物高级分子细胞生物学结课论文论文题目：高等植物细胞中TACs复合物基因成员的功能分析完成时间：2012年1月3日学生姓名：摘要：TAC(Transcriptionally active chromosome)是研究叶绿体转录调控机制过程中分离DNA绑定的RNA聚合酶而分离出的具有转录激活作用的一类染色体复合物。它们以多聚复合物的形式存在，在不同的质体中成分也有所不同。近年来在高等植物拟南芥的叶绿体中也成功的分离并且鉴定了其组成成分。这个复合物与叶绿体基因的转录以及叶绿体发育等有密切的关系，本文简要介绍一下TAC复合物的研究进展。关键词：RNA聚合酶，复合物

2、，叶绿体发育。 叶绿体基因至少具有3种不同类型的启动子，叶绿体基因的表达由不同起源两种类型的RNA 聚合酶催化转录（Shiina et al.， 2005）。一种RNA聚合酶由叶绿体编码， 称为PEP（一种RNA聚合酶由质体编码）聚合酶；另一种RNA聚合酶由核基因编码，称为NEP（一种RNA聚合酶由核编码）聚合酶 。它们的表达是具有光依赖，组织特异性的。尽管植物体中有两种类型的RNA聚合酶NEP和PEP，但是它们的职责不同，在质体发育进程上存在着一定的先后关系通常，NEP介导叶绿体发育早期中持家基因的表达，包括PEP亚基；而PEP则介导光合作用相关基因的表达(Hajdukiewicz et a

3、l.， 1997)目前，大家公认的关于这两类RNA聚合酶的在植物早期发育过程中的作用模型如下：在植物发育早期，NEP比较活跃，表达量较高，起始了一些质体持家基因如编码PEP亚基的基因，核糖体RNA，核糖体蛋白质等基因的表达由此，在此时期，蛋白质合成和降解的机制得以建成随着叶绿体得发育，PEP活性被激活，开始同各种各样的Sigma因子一起激活光合作用相关基因的表达。NEP和PEP存在协调作用，如果它们之间的平衡被打破，质体基因转录就受到影响。关于PEP表达如何受到NEP的作用，许多科学家展开了相关的许多工作。TACs就是这样被发现的，它可能是解开PEP与NEP作用机制很关键的一环。本文就TAC复

4、合物中的成员功能做一综述。1，TACs的发现及分离叶绿体基因的表达由不同起源两种类型的RNA 聚合酶NEP和PEP催化转录(Hu and Bogorad, 1990; Igloiand Ko ssel, 1992; Lerbs-Mache, 1993; Pfannschmidt and Link, 1994; Liere and Maliga, 1999; Shiina et al., 2005)。NEP聚合酶主要负责持家基因的表达，包括rRNA基因、tRNA基因、PEP聚合酶基因和一些与代谢有关的酶的基因。PEP聚合酶主要是在叶绿体中起作用，负责与光合作用有关的基因的转录(Lopez-Jue

5、z et al., 2006; Hajdukiewicz et al., 1997)。PEP聚合酶与细菌中的RNA聚合酶很相似，含有核心酶、亚基。虽然PEP是由质体基因组所编码，但是PEP转录时候受到核编码的基因控制，由因子识别原核型启动子。植物叶绿体基因的转录需要NEP和PEP的共同参与，它们之间应该有一个协调作用，如果它们之间的平衡被打破，质体基因转录就受到影响。许多关于叶绿体基因转录已有许多研究，在70年代初Richard B. Hallick等人尝试对真核细胞转录进行体外的重建筛选最关键基本的组分。为了体外重建实验，这项工作需要溶解纯化DNA绑定的RNA聚合酶。对于纯化DNA绑定的RN

6、A聚合酶前人在脉孢菌属的线粒体、酵母菌、老鼠肝脏、蟾蜍卵巢，玉米叶绿体，小麦叶子等都有过相关的报道。这项工作是对纤细裸藻叶绿体中的DNA绑定的RNA聚合酶进行分离纯化。1973年发表了关于这项研究工作的准备工作，1976年正式首次高度纯化分离出了具有转录激活作用的一类染色体（Transcriptionally active chromosome TAC）(Hallick et al., 1976)。随后人们在菠菜质体中也分离出来转录激活染色体(Rushlow and Hallick, 1982)。1985年，在拟南芥叶绿体和芥子的黄化质体中，转录激活染色体复合物也被成功分离得到 ( Narit

7、a et al., 1985)。现在可认为PEP的中心亚基可分为两大类蛋白：可溶性RNA聚合酶(soluble RNA polymerase,sRNAP)和转录激活染色体(Igloi and Kossel, 1992; Krause et al., 2000; Pfalz et al., 2006)。TAC是附着于膜的，并且以多聚蛋白复合体形式存在。基于凝胶过滤亲和层析分离复合物，复合物的活力特性对于纯化过程具有依赖和可变性。TAC的已从不同组织分离出来，不同组织中复合物所含的蛋白组分是不同的，它是会随环境的改变而改变。2，TACs的成员组成及命名06年Jeannette Pfalz等人从拟南

8、芥和芥菜（拉丁文）中分离出来高纯化的TACs 并用电喷雾电离质谱法分析其蛋白构成，如图1所示。图1：TAC复合物的组成在分离纯化出的35个蛋白中，这些蛋白质的编码基因在拟南芥的不同染色体上均有分布，无成簇现象。在这35个组分中，其中，17个组分的功能已被报道，这些成员的功能涉及到核糖体蛋白，超氧化铁歧化酶，还有一些激酶以及延伸因子等。好多复合物成员的功能已被研究的比较深入，除了这些功能已知的组成外，18个未被深入研究的蛋白组分也被鉴定出来，这18个组分是对于质体基因具有转录激活作用（plastid transcriptionally active chromosome proteins pTA

9、Cs)，分别对着18个蛋白命名为pTAC1 - pTAC18（图1）.3，pTACs具有质体基因转录激活作用对于这新的18个复合物成员蛋白近些年来也有了许多研究。Pfalz等人分离纯化拟南芥和芥菜中TAC复合物。此外，他们也通过3个T-DNA插入突变体分析了pTAC2、pTAC6和 pTAC12这3个基因的功能(Paflz et al., 2006)。研究表明这3个基因功能涉及PEP转录对于质体基因表达是必需的，它们的缺失使得质体编码的基因表达下调，导致了叶绿体的发育受阻，突变体植株呈现白化和黄化的表型。pTAC2、pTAC6和 pTAC12在基因序列上与已报道的TACs成员都无相似性，pTA

10、C6和 pTAC12中不含有已报道的结构域，只有pTAC2基因含有PPR和TPR基序。pTAC1 和 pTAC11基因分别编码着whirly家族的AtWhy1 和AtWhy3蛋白。这2个蛋白具有保持质体基因组稳定性的功能，它们的失活可以导致叶绿体基因的非常规重组。在拟南芥中whirly基因缺失的双突变体中，基于这2个基因的缺失对叶绿体基因组的影响，叶绿体的功能丧失会出现不同程度的丧失（图2），表型出现多样化叶色呈现绿、黄和白均有。图2，拟南芥中whirly基因缺失的双突变体的叶绿体透射电镜图片，左侧位野生型对照，右侧为相同倍数下的双突变体。pTAC4 编码一个32 kDa VIPP1蛋白（ve

11、sicle-inducing protein）。它对于内囊体蛋白复合物的装配没有功能但却是基础内囊体膜的形成必需的。它的缺失导致叶绿体发育受阻，从而影响植物正常生长（图3）。图3为pTAC4突变体hcf155中叶绿体的投射电镜图片，左上方为野生型左中为突变体，右上为野生型的叶绿体，右侧中下，及左下分别为不同时期的突变体叶绿体。对于TACs复合物中新鉴定出的组分，我们通过这些复合物成员研究的结果，可以归纳出它们本身的功能具有多样性，对于质体基因的转录具有转录激活总用从而对质体基因组的表达和功能实现很重要的影响，从而影响叶绿体的发育，从而对于植物的生长发育有重要的作用。复合物的一些原有成员蛋白像A

12、tMurE(Garcia et al., 2008)（图4） 、FSD2 和FSD3 (Myouga et al., 2009)等也被研究。它们也是叶绿体发育所必须的，尤其是FSD2 和FSD3能够保护TACs受到光损伤对于叶绿体发育具有很重要的作用，如图5所示，这些基因缺失的突变体中，叶绿体的发育都是不正常的，更严重的会造成整个植株生命的结束。图4 AtMurE基因突变体中叶绿体的投射电镜图片。左为野生型对照，右为相同放大倍数的突变体。图5 FSD2 和FSD3基因不同品突变体中在不同光照下的叶绿体的投射电镜图片。最上方为野生型对照，下方分别为3种突变体对应放大倍数下对应光照的的突变体。4，

13、展望20世纪70年代开始分离出TAC复合物后，人们开始关注并研究这个复合物中的相关成员蛋白的功能。现已研究的数据表明TAC复合物能调节质体基因表达，保证质体基因组的稳定性，保护叶绿体受到光损伤等。因此，它对于叶绿体发育具有非常重要的作用。这个复合物的分离和研究推动了叶绿体基因表达转录机制的深入。尤其是对核因子是如何参与影响到质体基因表达的研究具有一定的进展。尽管这些基因的功能分析也只停留在初级阶段,复合物的每一个成员具有怎样独立的功能，这些独立的功能对于复合物整体具有怎样的贡献？ 复合物中蛋白成员如何相互作用并且形成一个整体去发挥作用？目前都不十分清楚。但随着人们越来越多的关注和生物技术的提高

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