Nature | 生长素转运蛋白怎么转运？

生长素是一种对植物生长发育几乎所有方面都起核心作用的植物激素【1,2】，其中PIN-FORMED家族蛋白是生长素发挥作用的关键参与者，控制着生长素从细胞质向细胞外空间的输出【3,4】。但是由于缺乏结构生物学和生物化学方面的数据，PIN家族蛋白介导的生长素运输的分子机制尚不清楚。

近日，丹麦奥胡斯大学Bjørn Panyella Pedersen研究组与德国慕尼黑理工大学Ulrich Z. Hammes研究组合作在Nature发表了题为Structures and mechanism of the plant PIN-FORMED auxin transporter的研究论文，揭示了由植物生长素负电荷驱动的转运机制，为植物生长素的识别和运输提供了一个全面的分子模型，解释了植物中生长素运输的核心机制。

植物生长过程会依赖于生长素在体内的分布，PIN蛋白缺失后导致严重的表型，进一步说明了生长素的重要性。PIN缺失的表型可以由生长素外排抑制剂进行模拟，比如除草剂NPA（Naphthylphthalamic acid）。PIN蛋白具有10个跨膜螺旋，包括两组五跨膜螺旋重复序列。典型的PIN中具有调节活性的磷酸化位点，因为PIN中的环结构存在自抑制，需要激酶活性启动生长素转运过程。

在筛选不同的PIN同源蛋白进行表达和纯化后，作者们选择拟南芥的PIN8作为研究对象。PIN8是一个大小为40kDa的非典型PIN，具有一个由43个残基组成的短胞质环，缺乏典型PIN长自抑制环中可见的磷酸化基序。但同时PIN8表现出与经典的PIN1转运蛋白相似的IAA转运活性。该转运活性独立于激活的激酶，同时也表现出对NPA这一抑制剂的敏感性，表明PIN是一种构成性活性的生长素转运蛋白。

为了研究PIN8对IAA的转运特性，作者们在酿酒酵母中过表达了该蛋白，纯化后将其重组为蛋白质脂质体，并使用固体支撑膜电生理学电容耦合来测量转运能力。作者们测量了PIN8结合IAA的解离常数，并发现PIN8蛋白存在pH依赖性，确认其最适合的pH为6.4-7.0。另外，作者们发现NPA会抑制IAA的转运，其结合PIN8的亲和力比IAA高出一个数量级。

通过结构解析，作者们发现PIN8是对称的PIN8二聚体存在的，垂直于膜平面的双轴螺旋，具有一个明显的凹面。每个单体中存在10个跨膜螺旋，由5个跨膜螺旋组成的反向重复组成。PIN8单体被分为两个域，作者们将其命名为Scaffold结构域和Transporter结构域（图1）。

另外，通过位点突变实验，作者们发现IAA与PIN8的结合代表了底物向外开放的状态，这是生长素的释放状态。转运结构域与IAA之间的相互作用强调了PIN8与IAA的选择是基于形状的互补。与IAA在向外开放状态下相比，NPA与蛋白质有更广泛且更强的相互作用。因此，作者们发现NPA对生长素转运蛋白的抑制可以用两个方面来解释，第一是由于与scaffold结构域的结合而更强，其次是NPA的尺寸更大会阻止向外状态的转变。

总的来说，作者们的工作以PIN8作为研究模型，揭开了生长素转运蛋白转运的IAA以及抑制剂NPA作用的具体结构生物学机制（图2）。另外，通过对拟南芥其他的生长素转运蛋白的比较，作者们确认生长素转运支持位点是完全的保守的，这种保守性也会延伸到其他的植物物种中。

参考文献：1.Weijers, D. & Wagner, D. Transcriptional responses to the auxin hormone. Annu. Rev. Plant Biol. 67, 539–574 (2016).2.Goldsmith, M. H. M. The polar transport of auxin. Annu. Rev. Plant Physiol. 28, 439–478 (1977).3.Gälweiler, L. et al. Regulation of polar auxin transport by AtPIN1 in Arabidopsis vascular tissue. Science 282, 2226–2230 (1998).4.Petrásek, J. et al. PIN proteins perform a rate-limiting function in cellular auxin efflux. Science 312, 914–918 (2006).

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04883-y

转自：植物科学SCI

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