Nature ｜生长素转运蛋白PIN的结构解析及其转运机制

2022年6月29日，Nature在线发表了丹麦奥胡斯大学Bjørn Panyella Pedersen和德国慕尼黑工业大学Ulrich Z. Hammes联合团队及其合作者题为“Structures and mechanism of the plant PIN-FORMED auxin transporter”的研究论文。该研究解析了拟南芥生长素转运蛋白PIN8的三种结构形态：PIN8的外向开口构象、PIN8结合IAA的外向开口构象和PIN8结合NPA的内向开口构象；揭示了PIN识别、转运生长素的分子机制。

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

以吲哚-3-乙酸（IAA）为代表的生长素是一类重要的植物激素，在调节植物的生长发育方面发挥着核心作用。生长素转运蛋白PIN，调控了生长素在植物体内的极性运输，从而协调植物的生长发育及其对环境的响应，如向光性和向地性。预测显示，拟南芥的PIN蛋白具有十个跨膜螺旋（transmembrane helices），每五个跨膜螺旋形成一个重复单位，两个重复之间由一个胞质环隔开。其中，典型性PIN蛋白（包括PIN1-4和PIN7）具有特征性的长环结构（由323-355个残基组成）；而非典型性PIN蛋白（PIN5、PIN8和PIN6）则具有特征性的短环结构。尽管如此，PIN蛋白的具体结构及其特征，一直都没有得到解析；PIN是如何介导生长素转运的，其分子机制尚不清楚。

典型性PIN蛋白的长环结构中具有多个磷酸化位点，需要激酶的活化才能激活其生长素转运功能。该研究发现，由于PIN8的短环结构缺乏磷酸化位点，它的转运活性不依赖于激酶，但对IAA的转运与激酶激活的PIN1相似；同时，对抑制剂NPA敏感。鉴于以上优势，研究人员选择了PIN8来进行结构解析。利用单粒子冷冻电镜（single-particle cryo-EM），该研究分别解析了PIN8的三种结构形态：PIN8在2.9Å分辨率水平的载脂蛋白形式（apo form）、3.2Å分辨率水平上PIN8与IAA的结合形态，以及3.4Å分辨率水平上PIN8与NPA的结合形态；并进一步以PIN8的载脂蛋白形式进行结构建模，但不包括无序的胞质环结构（含39个残基）。结构分析显示，PIN8载脂蛋白形式为PIN8的同型二聚体，每个单体有十个跨膜螺旋（M1-M10）；其中，M1、M2、M6和M7形成了连接两个单体的支架结构，而其余跨膜螺旋则形成了IAA的运输结构，包含一个X形交叉的IAA结合口袋（Figure 1）。

Figure 1. PIN8的转运活性和结构特征

进一步研究显示，PIN8和IAA结合的构象，与其二聚体载脂蛋白形式几乎相同；表明PIN8的载脂蛋白形式也是其空载的外向开口形态（outward-open state）。详细分析显示，IAA的羧酸酯基团可与PIN8的交叉结构结合，其碳基骨架与朝向非胞质侧的Leu119和Ile120（M4b）接触，而其吲哚环则与朝向胞质侧Val327和Val328（M9b）接触；这些结果表明，PIN8是通过形状互补性来选择IAA的（Figure 2）。

Figure 2. PIN8结合IAA或NPA时的结构特征

与IAA不同，PIN8与NPA结合时表现为内向开口构象（inward-open conformation）；尽管其支架结构并没有发生变化，但其运输结构旋转了大约20°，且NPA与PIN8的互作更加广泛。因此，研究人员认为，NPA对PIN的抑制作用可以通过两种方式：1）NPA与支架结构中额外残基的结合，使其具有更强的结合力；2）NPA的尺寸比IAA更大，阻碍了PIN蛋白由内向开口构象转变为外向开口构象（Figure 3）。

Figure 3. PIN8的构象变化

综上所述，该研究利用单粒子冷冻电镜分别解析了生长素转运蛋白PIN8的三种结构形态，并通过结构特征分析揭示了PIN蛋白介导生长素转运的分子机制：在内向开口的构象中（Figure 4左一），去质子化的IAA可进入结合位点，其带负电的羧酸盐基团可被M4b和M9b的正偶极子稳定；在转变为外向开口构象的过程中，交叉结构旋转 20°，从而使支架结构中的生长素结合位点在胞质溶胶中平移了5Å（Figure 4左二）；随后，IAA在非胞质侧释放（Figure 4右二）；底物释放后，PIN蛋白重新恢复到内向开口状态（Figure 4右一）。

Figure 4. PIN介导IAA转运的分子模型

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04883-y

转自：植物生物技术Pbj

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