研究揭示植物磷酸盐跨膜转运与调控的分子机理 |
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中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏与王永飞团队,在《自然-植物》(Nature Plants)上在线发表了题为Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis的研究论文。该研究解析了首个植物磷酸盐转运蛋白的三维结构,揭示了模式植物拟南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子机制和多磷酸肌醇介导的调控机制。
植物进化出复杂的无机磷酸盐(Pi)转运系统,在土壤中吸收Pi并介导Pi在不同的组织和细胞(器)之间运输,以维持Pi稳态。迄今为止,科研人员在植物中鉴定出多种Pi转运蛋白。其中,PHO1及同源蛋白属于SPX-EXS家族。目前,植物Pi转运蛋白三维结构和调控机制尚不清楚。
拟南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1是SPX-EXS家族Pi转运蛋白的典型代表。二者均参与无机磷向木质部导管的装载过程,以实现磷从根部到地上部分的运输。PHO1蛋白包含N端的胞质侧SPX结构域和C端EXS跨膜结构域。SPX结构域作为Pi感受器,能够与细胞内高磷信号分子焦磷酸肌醇结合,从而调控磷外排活性。而关于PHO1蛋白如何介导Pi的外排以及焦磷酸肌醇的调控机制尚不明晰。
该研究运用电生理技术验证了六磷酸肌醇(InsP6)对AtPHO1;H1外排Pi的激活作用。进一步,研究通过异源表达纯化AtPHO1;H1蛋白,并利用单颗粒冷冻电镜技术,解析了AtPHO1;H1结合底物Pi及调控分子InsP6且处于通道关闭构象的三维结构。分子动力学模拟和AlphaFold预测获得了AtPHO1;H1的开放构象。分析发现,AtPHO1;H1以同源二聚体形式存在;它的EXS结构域呈现新的蛋白质折叠方式,每个EXS结构域均包含一个独立的底物运输通道。两个关键的门控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物结合位点上方,调控通道的开放与关闭。结构和生化分析结果显示,InsP6结合于SPX结构域的二聚体界面,发挥 分子胶水 的功能,促进SPX二聚化过程并增强AtPHO1;H1的活性。同时,研究发现,AtPHO1;H1的C端结合于EXS结构域和SPX结构域之间,对于维持AtPHO1;H1活性具有关键作用。
该研究基于结构和功能分析发现,AtPHO1;H1采用类似通道的机制介导Pi的外排,并通过感知磷酸肌醇水平来调控自身的转运活性。据此,研究提出了AtPHO1;H1的工作与调控模型。在低磷条件下,植物体缺少焦磷酸肌醇信号分子,AtPHO1;H1蛋白EXS结构域的Pi转运通道被处于单体状态的SPX结构域阻挡,导致底物Pi无法进入转运通道而处于失活状态;磷浓度升高促进焦磷酸肌醇信号分子生成并结合到AtPHO1;H1的SPX结构域,后者发生构象变化并二聚化,使得EXS结构域的Pi转运通道暴露出来;Pi进入转运通道并促使门控氨基酸及跨膜螺旋TM9发生构象变化,转运通道完全开放,实现了Pi从高浓度向低浓度转运。
这一研究揭示了植物磷酸盐转运蛋白的结构与分子机制。同时,鉴于PHO1与植物的光合作用效率相关,该成果为改造作物磷吸收水平和光合作用效率奠定了理论基础。
研究工作得到国家委员会、中国科学院及上海市的支持。
AtPHO1;H1工作模型
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