Хлоропласти водоростей і рослин є клітинними двигунами, які перетворюють сонячну енергію в хімічну за допомогою фотосинтезу. Ці органели, обмежені оболонкою з двома мембранами, містять свій власний геном, експресія якого тісно узгоджена з експресією ядерного генома. Більшість білків хлоропластів кодуються ядерними генами, які транслюються в цитозолі як білки-попередники, що містять транзитну послідовність на амінокінці, яка служить вхідним квитком у хлоропласти.
Імпорт білка в хлоропласти опосередковується двома мембранними білковими комплексами, які називаються TOC і TIC у зовнішній і внутрішній мембранах оболонки відповідно. Ці комплекси відіграють ключову роль у хлоропласт біогенезі, у складанні фотосинтетичних апаратів і в різних метаболічних шляхах. Було ідентифіковано та охарактеризовано різні білкові субодиниці TOC і TIC, і було виявлено, що TOC і TIC разом утворюють суперкомплекс. Однак незрозуміло, як різні білки TOC і TIC збираються разом, щоб утворити канали для транслокації білка через мембрани оболонки хлоропласту, і шляхи транслокації білка в TOC і TIC залишаються невловимими.
У дослідженні, опублікованому в Інтернеті в природа, група Лю Чженфена з Інституту біофізики Китайської академії наук у співпраці з професором Жаном-Давидом Роше з Женевського університету, Швейцарія, надала довгоочікувану інформацію про молекулярні компоненти, тривимірну організацію та потенційний білок. шляхи транслокації суперкомплексу TOC-TIC з одноклітинної зеленої водорості під назвою Chlamydomonas reinhardtii.
Дослідники з’ясували супрамолекулярну архітектуру суперкомплексу TOC-TIC за допомогою кріоелектронної мікроскопії.
У цьому суперкомплексі було виявлено тринадцять різних білкових субодиниць. За винятком Tic214, який кодується геномом хлоропласта, усі інші субодиниці є ядерними. Вони зібрані в комплекс TOC у зовнішній мембрані, комплекс міжмембранного простору (ISC) і комплекс TIC у внутрішній мембрані. Примітно, що було виявлено, що найбільший мембранний білок Tic214 охоплює внутрішню мембрану, міжмембранний простір і зовнішню мембрану, з’єднуючи інші білок субодиниці, як міст і, швидше за все, також діють як риштування.
Комплекс TOC у зовнішній мембрані в основному складається з Toc34, Toc90 і Toc75, фланкованих з боку Toc90 комплексом Ctap4-Ctap3. Гібрид бочкоподібної форми канал утворений Toc90 і Toc75 на зовнішня мембрана. Канал містить вхід з цитозольного боку і два виходи, що відкриваються в бік міжмембранного простору, а також бічні ворота, звернені до ліпідний бішар. Молекула фітинової кислоти (також відомої як інозитолгексафосфат/InsP6) вставляється на межі розділу між Toc90 і Tic214, стабілізуючи їх збірку, як клин.
Домен міжмембранного простору Tic214, Tic100, Tic56, Ctap3 і Ctap5 переплітається один з одним, утворюючи баштоподібну структуру, що з’єднує TOC з TIC. В внутрішня мембрана, вбудовані в мембрану домени Tic214, Tic20, Ctap5 і три маленькі субодиниці (названі Simp1, Simp2 і Simp3) утворюють комплекс TIC. Чотири молекули ліпідів служать для стабілізації збірки воронкоподібного каналу, розташованого на межі між Tic214 і Tic20, і запобігають витоку каналу.
Спираючись на структурні дані, дослідники детально проаналізували особливості пор всередині каналів TOC і TIC. Вони змогли передбачити взаємодію між транзитним пептидом і комплексом TIC за допомогою моделювання молекулярної динаміки.
Підкріплюючись спостереженням за двома порами каналу, з’єднаними поверхневою борозенкою, і попередніми біохімічними та функціональними звітами, було запропоновано кілька шляхів для пояснення транслокації різних пребілків через суперкомплекс TOC-TIC до окремих локальних компартментів хлоропласту.