2月20日，《自然-植物》（Nature Plants）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬與王永飛團隊完成的題為Cryo-EM structures of Arabidopsis CNGC1 and CNGC5 reveal molecular mechanisms underlying gating and calcium selectivity的研究論文。該研究通過對模式植物擬南芥CNGC1和CNGC5的結構與功能分析，揭示了植物CNGC通道是一類選擇性通透Ca2+且不受環核苷酸調控的離子通道。
在靜息狀態下，植物細胞質內的Ca2+濃度約為50nM至150nM；而在質外體和細胞器中，Ca2+濃度可達到毫摩級別。這一濃度差使Ca2+可以通過鈣通道順濃度梯度進入細胞內，形成鈣信號，調控植物的各種生理活動。植物CNGC通道因與動物體中的CNG通道在序列和功能上相似而得名。然而，與動物CNG通道非選擇地介導K+、Na+和Ca2+的通透不同，植物CNGC通道主要介導Ca2+輸入。后者在ABA介導的氣孔關閉、花粉管和根毛的發育、免疫反應、菌根共生等生理過程中誘發鈣信號的產生。目前，在植物領域，關于植物CNGC通道的離子選擇性以及是否受環核苷酸調控存在爭議。
擬南芥有20種CNGC通道，分屬于不同的亞家族。科研人員選取不同亞家族的CNGC1和CNGC5開展研究。其中，CNGC5在調控氣孔關閉中發揮作用。研究利用膜片鉗電生理技術，初步鑒定了CNGC1和CNGC5的活性。研究發現，CNGC1和CNGC5均可以產生超極化激活的內向Ca2+電流，且該電流可被典型的鈣通道阻滯劑LaCl3或GdCl3抑制；二者均無法產生K+/Na+電流。
進一步，該研究解析了擬南芥CNGC1和CNGC5高分辨率的冷凍電鏡三維結構。CNGC1和CNGC5結構呈現同源四聚體，由跨膜的電壓感知結構域（VSD）、孔道結構域（PD）以及胞質側的環核苷酸結合同源結構域（CNBHD）等組成。同時，CNGC1和CNGC5均包含保守的胞外結構域。該結構域通過三對保守的二硫鍵穩定，將VSD結構域與PD結構域共價偶聯在一起，對其活性至關重要。
研究顯示，CNGC1和CNGC5的PD結構域中選擇性過濾器（SF）的結構組成相似，均包含保守的谷氨酰胺，且該氨基酸形成SF最狹窄的位點；在CNGC1中可觀察到所結合的Ca2+和水分子。研究推測，Ca2+在通過CNGC1和CNGC5的SF時會經歷脫水以及再水合的過程，這或是Ca2+選擇性的結構基礎。研究發現，將谷氨酰胺突變成谷氨酸或丙氨酸會改變CNGC1和CNGC5的離子選擇性，使其非選擇地介導K+、Na+和Ca2+的通透，這證實了上述觀點。
CNGC1和CNGC5的CNBHD結構域缺乏CNBD家族蛋白結合環核苷酸所需的氨基酸和正電荷空腔。這一結構特征決定了它們無法結合環核苷酸，且與電生理實驗所測定的結果一致，即cAMP和cGMP均無法調控CNGC1和CNGC5的活性。該結構特征在植物CNGC通道中高度保守，表明植物CNGC通道的活性不受環核苷酸調控。
上述研究對領域內的植物CNGC通道的離子選擇性以及是否受環核苷酸調控的問題給出了答案，為生物體中保守存在的CNBD家族通道蛋白研究提供了新認知。鑒于CNGC5在ABA誘導的氣孔關閉中發揮關鍵作用，該研究為氣孔改造奠定了分子基礎。
研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院等的支持。
論文鏈接
擬南芥CNGC5/1的活性與三維結構
本文鏈接：研究提出植物CNGC鈣通道門控與離子選擇性新機制?http://www.sq15.cn/show-12-760-0.html
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