1月21日,中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心張鵬與王永飛團隊,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。該研究解析了首個植物磷酸鹽轉運蛋白的三維結構,揭示了模式植物擬南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子機制和多磷酸肌醇介導的調控機制。
植物進化出復雜的無機磷酸鹽(Pi)轉運系統(tǒng),在土壤中吸收Pi并介導Pi在不同的組織和細胞(器)之間運輸,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轉運蛋白。其中,PHO1及同源蛋白屬于SPX-EXS家族。目前,植物Pi轉運蛋白三維結構和調控機制尚不清楚。
擬南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1是SPX-EXS家族Pi轉運蛋白的典型代表。二者均參與無機磷向木質部導管的裝載過程,以實現(xiàn)磷從根部到地上部分的運輸。PHO1蛋白包含N端的胞質側SPX結構域和C端EXS跨膜結構域。SPX結構域作為Pi感受器,能夠與細胞內高磷信號分子焦磷酸肌醇結合,從而調控磷外排活性。而關于PHO1蛋白如何介導Pi的外排以及焦磷酸肌醇的調控機制尚不明晰。
該研究運用電生理技術驗證了六磷酸肌醇(InsP6)對AtPHO1;H1外排Pi的激活作用。進一步,研究通過異源表達純化AtPHO1;H1蛋白,并利用單顆粒冷凍電鏡技術,解析了AtPHO1;H1結合底物Pi及調控分子InsP6且處于通道關閉構象的三維結構。分子動力學模擬和AlphaFold預測獲得了AtPHO1;H1的開放構象。分析發(fā)現(xiàn),AtPHO1;H1以同源二聚體形式存在;它的EXS結構域呈現(xiàn)新的蛋白質折疊方式,每個EXS結構域均包含一個獨立的底物運輸通道。兩個關鍵的門控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物結合位點上方,調控通道的開放與關閉。結構和生化分析結果顯示,InsP6結合于SPX結構域的二聚體界面,發(fā)揮“分子膠水”的功能,促進SPX二聚化過程并增強AtPHO1;H1的活性。同時,研究發(fā)現(xiàn),AtPHO1;H1的C端結合于EXS結構域和SPX結構域之間,對于維持AtPHO1;H1活性具有關鍵作用。
該研究基于結構和功能分析發(fā)現(xiàn),AtPHO1;H1采用類似通道的機制介導Pi的外排,并通過感知磷酸肌醇水平來精準調控自身的轉運活性。據此,研究提出了AtPHO1;H1的工作與調控模型。在低磷條件下,植物體缺少焦磷酸肌醇信號分子,AtPHO1;H1蛋白EXS結構域的Pi轉運通道被處于單體狀態(tài)的SPX結構域阻擋,導致底物Pi無法進入轉運通道而處于失活狀態(tài);磷濃度升高促進焦磷酸肌醇信號分子生成并結合到AtPHO1;H1的SPX結構域,后者發(fā)生構象變化并二聚化,使得EXS結構域的Pi轉運通道暴露出來;Pi進入轉運通道并促使門控氨基酸及跨膜螺旋TM9發(fā)生構象變化,轉運通道完全開放,實現(xiàn)了Pi從高濃度向低濃度轉運。
這一研究揭示了植物磷酸鹽轉運蛋白的結構與分子機制。同時,鑒于PHO1與植物的光合作用效率相關,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。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院及上海市的支持。
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運與調控的分子機理?http://www.lensthegame.com/show-12-670-0.html
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