Kloroplaster af alger og planter er de cellulære motorer, der omdanner solenergi til kemisk energi gennem fotosyntese. Disse organeller, afgrænset af en kappe med to membraner, indeholder deres eget genom, hvis udtryk er tæt koordineret med det af kernegenomet. Størstedelen af chloroplastproteiner er kodet af nukleare gener, oversat i cytosolen som precursorproteiner, der indeholder en transitsekvens ved deres aminoterminal, der tjener som adgangsbillet til chloroplaster.
Proteinimport til kloroplaster medieres af to membranproteinkomplekser kaldet TOC og TIC i henholdsvis den ydre og den indre kappemembran. Disse komplekser spiller en nøglerolle i kloroplast biogenese, i samlingen af de fotosyntetiske apparater og i forskellige metaboliske veje. De forskellige proteinunderenheder af TOC og TIC er blevet identificeret og karakteriseret, og TOC og TIC er blevet afsløret for at danne et superkompleks sammen. Det er imidlertid uklart, hvordan forskellige proteiner af TOC og TIC samles for at danne kanalerne for proteintranslokation på tværs af chloroplastkappemembranerne, og proteintranslokationsvejene inden for TOC og TIC forbliver uhåndgribelige.
I en undersøgelse offentliggjort online i Natur, Liu Zhenfengs gruppe ved Institut for Biofysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi i samarbejde med prof. Jean-David Rochaix fra Universitetet i Genève, Schweiz, gav længe ventet indsigt i de molekylære komponenter, tredimensionelle organisering og potentielle proteiner translokationsveje af TOC-TIC-superkomplekset fra en encellet grønalge ved navn Chlamydomonas reinhardtii.
Forskerne belyste den supramolekylære arkitektur af TOC-TIC superkomplekset gennem kryo-elektronmikroskopi.
Tretten forskellige proteinunderenheder i dette superkompleks blev opdaget. Med undtagelse af Tic214 kodet af chloroplastgenomet er alle de andre underenheder nuklear kodet. De samles i TOC-komplekset i den ydre membran, det intermembrane rumkompleks (ISC) og TIC-komplekset i den indre membran. Bemærkelsesværdigt blev det fundet, at det største membranprotein Tic214 spænder over den indre membran, intermembranrummet og den ydre membran og forbinder den anden protein underenheder som en bro og højst sandsynligt også fungerer som et stillads.
TOC-komplekset i den ydre membran er hovedsageligt sammensat af Toc34, Toc90 og Toc75, flankeret på Toc90-siden af Ctap4-Ctap3-komplekset. En hybrid tøndeformet kanal er dannet af Toc90 og Toc75 på ydre membran. Kanalen indeholder en indgang på den cytosoliske side og to udgange, der åbner mod intermembranrummet, samt en lateral port, der vender mod lipid dobbeltlag. Et fytinsyre (også kendt som inositolhexaphosphat/InsP6) molekyle interkalerer ved grænsefladen mellem Toc90 og Tic214, og stabiliserer deres samling som en kile.
Intermembran-rum-domænet af Tic214, Tic100, Tic56, Ctap3 og Ctap5 fletter sig ind i hinanden for at danne en tårnlignende struktur, der forbinder TOC med TIC. I den indre membran, danner de membranindlejrede domæner af Tic214, Tic20, Ctap5 og tre små underenheder (navngivet Simp1, Simp2 og Simp3) TIC-komplekset. Fire lipidmolekyler tjener til at stabilisere samlingen af en tragtlignende kanal placeret ved grænsefladen mellem Tic214 og Tic20 og forhindrer kanalen i at lække.
Baseret på de strukturelle data analyserede forskerne detaljeret funktionerne i porerne inde i TOC- og TIC-kanalerne. De var i stand til at forudsige interaktionerne mellem transitpeptidet og TIC-komplekset gennem simulering af molekylær dynamik.
Understøttet af observationen af to kanalporer forbundet med en overfladerille og de tidligere biokemiske og funktionelle rapporter blev flere veje foreslået for at tage højde for translokationen af de forskellige præproteiner gennem TOC-TIC superkomplekset til forskellige lokale kloroplastrum.