2023年10月26日，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航研究组在国际顶尖学术期刊Nature Plants上发表了题为“Structure and activation mechanism of the rice Salt Overly Sensitive 1(SOS1) Na+/H+ antiporter”的研究论文。
该研究运用冷冻电镜技术深入系统地解析了水稻来源Na+/H+转运蛋白SOS1的三维结构，包括自抑制态和激活态的三维结构，揭示其激活分子机制。
土壤盐碱化降低了土壤肥力和农作物产量，对全球农业构成重大威胁【1】。目前，全球范围内的农业用地共计9.5亿公顷，其中1/4正在遭受盐胁迫的危害，且受害面积仍在不断地扩大。提高作物的抗盐碱能力是未来作物育种的主要方向之一。深入开展植物响应盐胁迫的机制研究将为提升作物耐盐能力和解决遭受盐害地区的粮食安全问题提供重要支撑。
高盐环境中生长的植物在进化过程中形成抗盐机制，如经典的盐胁迫响应信号通路SOS (Salt Overly Sensitive)。SOS信号通路的关键分子包括SOS1、SOS2和SOS3，在赋予植物耐盐性方面扮演着至关重要的角色【2】。其中，SOS1 属于Na+/H+转运蛋白家族的一员，是迄今为止在植物中所发现唯一定位于细胞质膜的Na+外排蛋白【3，4】。SOS1含有该超家族成员中最大的胞内结构域，长度约700个氨基酸 (图1A)。SOS2是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，而SOS3是含EF-hand的钙结合蛋白。当植物遭遇盐胁迫时，胞内升高的钙信号被SOS3所感知，激活SOS2激酶，进一步磷酸化SOS1来介导Na+外排，使植物获得耐盐能力【5】。因此， SOS1如何激活和介导Na+稳态的分子机制一直是植物抗盐胁迫领域的重大科学问题之一。
图1.水稻Na+/H+转运蛋白OsSOS1FL处于自抑制状态的三维结构。A.水稻OsSOS1蛋白的拓扑结构示意图；B. 全长SOS1自抑制状态的三维结构(OsSOS1FL)。
研究者利用单颗粒冷冻电镜技术解析了水稻SOS1全长蛋白处于自抑制状态的三维结构(OsSOS1FL，图1B)。该OsSOS1FL结构揭示SOS1是一个同源二聚体，每个单体亚基都有一个NhaA-fold的跨膜结构域(TMD)和三个位于胞内的调控结构域，分别是螺旋结构域(HD)、环核苷酸结合结构域(CNBD)和C端b-roll结构域(CTD)。两个高度保守的motif (1&2)结合在胞内调控结构域上，形成自抑制的构象状态。进一步通过酵母突变体的耐盐实验发现了破坏这两个motif的结合使得SOS1获得不依赖于SOS2的激活。OsSOS1FL结构为解释SOS1在静息时处于自抑制状态提供了重要的结构基础。
先前的研究发现，C端区域的截短体(OsSOS1976，含氨基酸1-976)去除了保守motif (1&2)，从而解除了对SOS1的自抑制，获得不依赖磷酸化的激活状态 【6】。研究者进一步解析了OsSOS1976的三维结构(图2A)，发现其胞内结构域发生了激烈的构象变化。OsSOS1976与OsSOS1FL的跨膜结构域大体相似，但是胞内调控结构域存在明显差异(图2B)，与其因为自抑制motif (1&2)的去除处于超激活的状态相一致。
图2. 水稻Na+/H+转运蛋白OsSOS1976处于激活状态的三维结构。A.水稻OsSOS1截短体OsSOS1976蛋白的三维结构，跨膜结构域为紫色，其他结构域，如可能的HD结构域，为白色。B. OsSOS1FL (自抑制)与OsSOS1976(激活)的总体结构比较。以跨膜结构域进行叠合比较，OsSOS1976结构以电子云形式展示(详见A)，而OsSOS1FL的胞内调控结构域以卡通形式展示(天蓝色)。
SOS1的跨膜结构域具有NhaA-fold的典型特征，其TM5和TM12在细胞膜上形成一个“X”形的交叉，是Na+/H+离子发生结合和交换的关键位点。OsSOS1976与OsSOS1FL跨膜结构域的总体结构相似(图3A)，但在“X”交叉附近的Na+/H+交换位点上存在明显差异(图3B)。在OsSOS1FL中的保守脯氨酸残基P148占据了Na+结合位点，而在OsSOS1976中，脯氨酸残基P148发生扭转，离开原来的阻遏位置，从而允许Na+结合和交换。结构比较揭示，OsSOS1976的胞内结构域发生重排导致TM5b解除来自HD结构域中H8-H9螺旋对的限制，从而向下移动～4 Å。这也是导致脯氨酸残基P148可以从阻遏位置到允许Na+结合位置移动的结构基础 (图3C)。OsSOS1976与OsSOS1FL的进一步比较也揭示了其支架结构域和转运结构域发生类似电梯运输的“上/下”运动，并伴随着跨膜螺旋TM5b向下移动和门控残基脯氨酸残基P148位置迁移（见下方短视频）。
图3. OsSOS1FL(自抑制)与OsSOS1976(激活)离子交换位点和P148的分析。A. OsSOS1FL(自抑制)与OsSOS1976(激活)的跨膜结构域比较，r.m.s.d. 1.34 Å /384 Cα。B. OsSOS1FL(自抑制)与OsSOS1976(激活)的Na+/H+离子交换位点比较，揭示了P148扮演了重要的门控角色。C. 在SOS1结构中，TM5b的位置受到HD结构域中H8-H9螺旋对的调控。在OsSOS1FL中，在H8-H9螺旋对限制下的，TM5b不能下移，使得P148占据了Na+结合位点，而在OsSOS1976，H8-H9螺旋对的构象改变使得其对TM5b限制去除，P148离开阻遏位置，从而允许Na+结合和交换。
研究者基于深入的结构分析提出了SOS1的工作模式。在没有盐胁迫的情况下，激活前SOS1的胞内调控结构域通过结合保守的自抑制motif而得以稳定，其HD结构域的H8/H9螺旋对与TM5b互作，使得门控残基Pro148处于阻断Na+结合的位置，从而维持一种无转运活性的自抑制状态。当植物遭遇盐胁迫时，胞内升高的钙信号被SOS3所感知并与SOS2形成复合物来激活其蛋白激酶活性，进一步磷酸化Na+/H+转运蛋白SOS1。SOS1磷酸化后使得其自抑制解除，胞内调控结构域发生剧烈的构象变化，尤其是解除HD结构域的H8/H9螺旋对与TM5b的紧密接触，引起TM5b的下移和motif144SATDP148解开延伸，伴随发生Pro148位置迁移 (从阻断Na+结合到允许Na+ 转运，图3B)。这些发现解释了SOS1 如何从静息的自抑制状态切换到激活状态，为理解SOS1激活的分子机制提供了坚实的结构基础(图 4)。
图4. SOS1激活转运Na+/H+的分子机制
陈宇航研究组博士生张祥云、唐凌汇、聂佳伟、张纯瑞以及中国科学院生物物理所许瑞明研究组博士后韩晓楠为该论文的共同第一作者。陈宇航研究员为该论文的通讯作者。中国科学院遗传发育所谢旗研究员、汪迎春研究员和黄夏禾博士，中国科学院生物物理所许瑞明研究员，中国农业大学郭岩教授和于菲菲教授等参与了本研究。
同时，陈宇航研究员和博士生张祥云应邀在Nature Plants上配发研究简报“Structural insight into SOS signalling in response to salt stress”。
该研究得到了中国科学院战略先导A专项和国家重点研发计划的资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41477-023-01551-5
https://doi.org/10.1038/s41477-023-01553-3
转自：“小柯生命”微信公众号
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