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张立新教授为HU-BBS2021作首场报告
发布时间:2021年01月15日 11:29    作者:

咬定青山不放松,脚踏实地加油干。2021新年伊始,以“增进学者友谊、促进学术创新、推进‘一流’建设”为旨归的“河南大学生物&医学午茶会”(Henan University,Biweekly BioMed Seminar,简称“HU-BBS”) 总第33期、2021年第1期,于1月14日在365bet投注体育B201学术报告厅举办,365bet投注体育院长张立新教授应邀做“相分离驱动叶绿体蛋白转运”主题报告。来自365bet投注体育、数学与统计学院、物理与电子学院、化学化工学院、医学类相关学院和棉花生物学国家重点实验室、省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室、天然药物与免疫工程河南省重点实验室、纳米材料工程研究中心等科研机构专家学者近50人在现场聆听了精彩学术报告,并面对面与主讲嘉宾开展热烈讨论,校内外多名专家学者和广大硕博研究生通过腾讯会议在线参加研讨。

光合作用是地球上最为重要的化学反应。叶绿体是高等植物光合作用的发生场所,作为一个半自主性细胞器,其自身基因组仅能编码 100 多种蛋白质,95%以上蛋白都是由核基因编码,在胞质中合成前体后,通过叶绿体内外被膜上的TOC/TIC 转运复合体将前体蛋白转入叶绿体的不同区域,进而行使光合功能。核编码的叶绿体蛋白是如何被分选、穿过拥挤的基质空间、并精准地靶定到特定区域膜复合物的分子机制一直是国际普遍关注的重要科学问题。在这方面,张立新及其团队长期以来做了大量深入的研究工作,并取得了国际领先的成果。

报告之初,张立新简明扼要的介绍了叶绿体的起源以及叶绿体被膜转运通道的研究进展,并引出了其课题组2020年在Cell 发表的题为Liquid-Liquid Phase Transition Drives Intra-chloroplast Cargo Sorting的研究论文,和大家分享了科学发现的心路历程。他从科学问题提出开始,根据叶绿体蛋白转运和类囊体转运特性提出从核基因编码叶绿体蛋白跨过叶绿体被膜可能存在内共生后演化的新转运因子及新调控机制,通过对参与捕光色素蛋白转运蛋白LTD能的研究,坚定了新的蛋白转运因子仍有待发掘;根据蛋白转运特性找到了同为内共生后新进化出来的蛋白STT1和STT2,该蛋白不但具有和OE23相互作用的结构域,还具有与LTD相似的胚胎致死的剧烈表型。随后通过一系列生物化学和分子生物学研究,确定了STT1和STT2在cpTat通路底物的转运中起着非常重要作用。为了清晰的阐明STT介导底物运输的分子机制,张立新进而引入了结构生物学的手段。在这一阶段由于得不到STT-OE23稳定的复合物等问题的困扰,实验一度陷入困境。

知难而后勇。随后张立新根据STT蛋白的具有大段IDR结构域以及在ITC实验中意外发现的类似相分离的现象,提出了叶绿体蛋白转运过程中相变的科学假设,这非常完美的解释了蛋白转运的分子机制。他发现,原来STT1与STT2会依赖C端ankyrin repeat结构域的互作形成异源二聚体结构,而N端IDR区域中保守的WEEPD基序与LVP-W基序,帮助其识别底物信号肽的双精氨酸基序与疏水结构域;底物结合后会激活STT复合物的组装,促进相分离,形成浓缩液滴;液滴协助底物穿过叶绿体基质靶定到类囊体膜,在靶点位置由Hcf106抑制STT的相分离释放底物,从而完成正确运输与装配。

据了解,相分离这一概念自上世纪70年代就已经被提出,2018年Science将相变列为本年度十大科学突破。张立新课题组的这一工作不仅阐明了相分离驱动叶绿体内蛋白分选的新机制,从而调控叶绿体发生和光合作用,同时该研究强调了相分离调控蛋白运输是在所有物种都存在的普遍机制,既拓展了相分离与蛋白转运的研究领域,也为研究细胞如何精确调控其各种生理活动拓展了思路,受到了国际不同领域科学家的高度认可。

张立新教授学养深厚、成果丰硕,整个报告立足世界学术前沿,结合团队扎实的创新性工作,条清缕析、娓娓道来,引发了会场内外听众的广泛兴趣。365bet投注体育和国家重点实验室的徐小冬教授、魏建设教授、张表教授、卢福浩教授、桂蕊博士、李结平博士、张鑫博士,基础医学院的季少平教授、王泽坤教授,数学与统计学院的邹广安博士、杨晓慧教授等纷纷向张立新提问并进行深入探讨,会场学术气氛浓厚。

会议结束后,基础医学院从事病毒学研究的王泽坤教授表示,越来越多的研究表明相分离在细胞中普遍存在,与基因组的组装、转录调控,蛋白间的动态互作等可能密切相关,相分离的失调也可能是一些疾病(如神经/肌肉退行性疾病)发生的病因,相关领域的科学家也开始通过相分离这个视角重新审视相关疾病,通过干扰异常“相分离”来达到治疗相关疾病的目的,相分离或者说相变(Phase Separation,Phase Transition)可以说是目前最热的研究领域。张立新教授首次提出并阐明了相分离驱动叶绿体内蛋白分选的新机制。该研究发现了位于叶绿体基质的关键蛋白转运分选因子STT1与STT2,阐明了双精氨酸依赖途径蛋白通过相分离完成底物识别、分选以及靶定到类囊体膜的分子机制。这是非常有意义的一项工作,发表在生命科学领域的顶级杂志《cell》上实至名归。听完讲座深受启发,希望未来在病毒复制研究中晶体解析中碰到类似瓶颈问题可以从相分离角度分析,也许会有所突破。数学与统计学院从事计算数学的邹广安博士认为,聆听张立新教授的报告令人耳目一新。张教授团队首次提出并阐明了相分离驱动叶绿体内蛋白分选的新机制,通过大量的体内体外实验揭示了相分离形成液滴(liquid droplet)调控叶绿体蛋白的运输,从而调控叶绿体的生物发生。这种植物叶绿体内相分离(liquid-liquid phase separation)形成的液滴(liquid droplet)过程,与物理上的相变过程类似,或许可以借助数学上的Cahn-Hilliard相场模型来模拟相分离的动力学过程和机制,进而可以在数学模型中考虑温度变化对相变的影响,研究温度相关的liquid-liquid相分离现象。

据悉, HU-BBS创办一年多来,受到越来越多跨学科专家学者的青睐和广泛参与。自2021年开始,科学技术研究院作为联合主办单位,决定把HU-BBS作为迎接校庆110周年重大学术活动之一予以长期支持。

张立新,博士、河南大学教授,博士生导师,365bet投注体育院长。1992年毕业于四川大学获理学学士学位,1997年毕业于兰州大学获理学博士学位,同年进入芬兰图尔库大学从事博士后研究。先后在中科院寒区旱区环境与工程研究所、兰州大学和中科院植物研究所工作,2010年-2018年任中科院植物所副所长。2000年获中国科学院“百人计划”资助,2007年获国家杰出青年科学基金资助。“新世纪百千万人才工程”国家级人选,中国青年科技奖获得者。主持多项国家级重点科技项目,其中国家重点研发计划1项,国家重点基础研究发展计划(973)2项(首席科学家),国家自然科学基金重点项目2项,国家自然科学基金国际合作项目1项。长期从事光合作用功能调控机理研究,在Cell, Nature Plants, Nature Commun., PNAS, Plant Cell等国际主流期刊发表论文。


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