Nature | 植物生长素转运蛋白的结构和机理研究

生长素（Auxin）是最早发现的植物激素，几乎参与了植物生长、发育的全部过程1。1928年，Went Fritz Warmolt用实验证明胚芽鞘尖端有一种可以促进生长的物质，将其称之为生长素。进一步研究确定生长素的化学本质是吲哚乙酸（IAA, Indole-3-acetic acid）2。现代生物学研究发现PIN-FORMED (PIN)蛋白家族参与调控生长素从植物细胞胞质侧运输到胞外区，因此，PIN也被称为生长素转运蛋白3。但由于缺少结构和生化数据，PIN介导的生长素转运的分子机制尚不清楚。

2022年6月29日，来自丹麦Aarhus University的Bjørn Panyella Pedersen和德国Technical University of Munich的Ulrich Z. Hammes共同通讯，在Nature发表题为Structures and mechanism of the plant PIN-FORMED auxin transporter的科研论文，文章中作者解析了拟南芥PIN8在apo状态、IAA结合状态、NPA（Naphthyphthalamic acid，一种除草剂）结合状态三个结构，为理解生长素转运的核心机制提供了结构信息。

PIN蛋白家族是植物独有的蛋白家族，具有十根跨膜螺旋，形成两个由胞质loop隔开的五个跨膜螺旋组成的重复序列（图1d）。典型的PIN（PIN1-4和PIN7）的胞质loop比较长，受磷酸化激活，而非典型的PIN（PIN5，PIN6，PIN8）的胞质loop比较短。文章中作者选用PIN8作为研究对象，通过活性实验发现（图1a），相对于PIN1，PIN8不依赖于激活激酶来转运IAA，并且转运的最佳pH在6.0~7.4。进一步的脂质体实验验证了PIN8的转运IAA的活性以及NPA的抑制效果（图1b，c）。利用冷冻电镜技术，最终作者解析了PIN8在apo状态下2.9 Å的结构，3.2 Å的PIN8-IAA的结构以及3.4 Å的PIN8-NPA的结构。PIN8结构整体呈同源二聚体形式（图1e），每个单体可以分为两个结构域，分别为转运结构域和支架结构域（图1d，f）。其中支架结构域的跨膜螺旋M1、M2、M6和M7组成了二聚体的相互作用界面。转运结构域的跨膜螺旋M3-M5和M8-M10呈现中央交叉的“X”型（图1f）。

PIN8-IAA的整体构象与apo状态相似，都是胞外朝向，而PIN8-NPA为胞内朝向（图2a）。IAA与转运结构域中Asn117和Gln145形成氢键相互作用，并在结构中作者观察到三个水分子，可能反映解离IAA从口袋中释放的状态（图2b）。除了极性相互作用之外，转运结构域的跨膜螺旋M4和M9以及支架结构域为IAA的吲哚环结合提供疏水相互作用（图2c）。进一步的突变实验也表明，与IAA结合相互界面的氨基酸对于整个转运过程至关重要。

通过将胞外朝向的PIN8-IAA与胞内朝向的PIN8-NPA的构象进行对比可以发现，在胞内朝向向胞外朝向的变化过程中，伴随着转运结构域跨膜螺旋M4和M9移动20 Å的距离，底物结合的位置向上变动5 Å左右（图3a）。在结构中，NPA的密度整体上更好（图3b），并且相比较于IAA，NPA与周围氨基酸残基的结合更为直接。因此，对于NPA抑制PIN8的功能可以通过两个部分解释：一个是由于NPA与周围氨基酸残基的结合更为紧密，另外在于NPA的分子尺寸更大，从而阻止了PIN8的状态变化。

基于结构，作者提出了PIN蛋白转运IAA的模型：在胞内朝向时， IAA以去质子化的羧酸盐形式进入到底物结合位点，在转运结构域跨膜螺旋M4和M9的极性氨基酸作用下稳定IAA的电荷；在转运蛋白结构域旋转期间，底物结合位点向胞外区移动5 Å左右，然后IAA被释放，底物结合位点逐步恢复为胞内朝向。

原文链接

https://www.nature.com/articles/

s41586-022-04883-y

转自：水木未来资讯

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