1月21日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬與王永飛團(tuán)隊(duì)，在《自然-植物》（Nature Plants）上在線發(fā)表了題為Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis的研究論文。該研究解析了首個(gè)植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，揭示了模式植物擬南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子機(jī)制和多磷酸肌醇介導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制。
植物進(jìn)化出復(fù)雜的無機(jī)磷酸鹽（Pi）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，在土壤中吸收Pi并介導(dǎo)Pi在不同的組織和細(xì)胞（器）之間運(yùn)輸，以維持Pi穩(wěn)態(tài)。迄今為止，科研人員在植物中鑒定出多種Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。其中，PHO1及同源蛋白屬于SPX-EXS家族。目前，植物Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三維結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)制尚不清楚。
擬南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1是SPX-EXS家族Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的典型代表。二者均參與無機(jī)磷向木質(zhì)部導(dǎo)管的裝載過程，以實(shí)現(xiàn)磷從根部到地上部分的運(yùn)輸。PHO1蛋白包含N端的胞質(zhì)側(cè)SPX結(jié)構(gòu)域和C端EXS跨膜結(jié)構(gòu)域。SPX結(jié)構(gòu)域作為Pi感受器，能夠與細(xì)胞內(nèi)高磷信號(hào)分子焦磷酸肌醇結(jié)合，從而調(diào)控磷外排活性。而關(guān)于PHO1蛋白如何介導(dǎo)Pi的外排以及焦磷酸肌醇的調(diào)控機(jī)制尚不明晰。
該研究運(yùn)用電生理技術(shù)驗(yàn)證了六磷酸肌醇（InsP6）對(duì)AtPHO1;H1外排Pi的激活作用。進(jìn)一步，研究通過異源表達(dá)純化AtPHO1;H1蛋白，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了AtPHO1;H1結(jié)合底物Pi及調(diào)控分子InsP6且處于通道關(guān)閉構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)。分子動(dòng)力學(xué)模擬和AlphaFold預(yù)測(cè)獲得了AtPHO1;H1的開放構(gòu)象。分析發(fā)現(xiàn)，AtPHO1;H1以同源二聚體形式存在；它的EXS結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)新的蛋白質(zhì)折疊方式，每個(gè)EXS結(jié)構(gòu)域均包含一個(gè)獨(dú)立的底物運(yùn)輸通道。兩個(gè)關(guān)鍵的門控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物結(jié)合位點(diǎn)上方，調(diào)控通道的開放與關(guān)閉。結(jié)構(gòu)和生化分析結(jié)果顯示，InsP6結(jié)合于SPX結(jié)構(gòu)域的二聚體界面，發(fā)揮“分子膠水”的功能，促進(jìn)SPX二聚化過程并增強(qiáng)AtPHO1;H1的活性。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，AtPHO1;H1的C端結(jié)合于EXS結(jié)構(gòu)域和SPX結(jié)構(gòu)域之間，對(duì)于維持AtPHO1;H1活性具有關(guān)鍵作用。
該研究基于結(jié)構(gòu)和功能分析發(fā)現(xiàn)，AtPHO1;H1采用類似通道的機(jī)制介導(dǎo)Pi的外排，并通過感知磷酸肌醇水平來精準(zhǔn)調(diào)控自身的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。據(jù)此，研究提出了AtPHO1;H1的工作與調(diào)控模型。在低磷條件下，植物體缺少焦磷酸肌醇信號(hào)分子，AtPHO1;H1蛋白EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)通道被處于單體狀態(tài)的SPX結(jié)構(gòu)域阻擋，導(dǎo)致底物Pi無法進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道而處于失活狀態(tài)；磷濃度升高促進(jìn)焦磷酸肌醇信號(hào)分子生成并結(jié)合到AtPHO1;H1的SPX結(jié)構(gòu)域，后者發(fā)生構(gòu)象變化并二聚化，使得EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)通道暴露出來；Pi進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道并促使門控氨基酸及跨膜螺旋TM9發(fā)生構(gòu)象變化，轉(zhuǎn)運(yùn)通道完全開放，實(shí)現(xiàn)了Pi從高濃度向低濃度轉(zhuǎn)運(yùn)。
這一研究揭示了植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)制。同時(shí)，鑒于PHO1與植物的光合作用效率相關(guān)，該成果為改造作物磷吸收水平和光合作用效率奠定了理論基礎(chǔ)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院及上海市的支持。
論文鏈接
AtPHO1;H1工作模型
本文鏈接：研究揭示植物磷酸鹽跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控的分子機(jī)理?http://www.sq15.cn/show-12-670-0.html
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