Nature | 2篇！浙江大学郭江涛及中国科学技术大学孙林峰等团队同时在植物生长素转运机制研究中取得重要进展

生长素转运蛋白的 PIN-FORMED (PIN) 蛋白家族介导生长素的极性转运，在植物生长和发育中起关键作用。

2022年8月2日，浙江大学郭江涛，杨帆及湖北大学吴珊共同通讯（浙江大学医学院郭江涛组博士后苏楠楠、杨帆组博士生竺爱琴和湖北大学生命科学学院吴姗组博士生陶鑫为论文的共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Structures and mechanisms of the Arabidopsis auxin transporter PIN3”的研究论文，该研究展示了来自拟南芥 (AtPIN3) 的 PIN3 在 apo 状态下的冷冻电镜结构，并与其底物吲哚-3-乙酸 (IAA) 和抑制剂 N-1-萘基邻苯二甲酸 (NPA) 复合，分辨率为 2.6–3.0 Å。

AtPIN3 作为同型二聚体存在，支架结构域中的跨膜螺旋 (TM) 1、2 和 7 参与二聚化。二聚体 AtPIN3 在二聚体界面处形成一个大的、面向细胞外的联合腔，而每个亚基采用面向内的构象。结构和功能分析以及计算研究揭示了识别 IAA 和 NPA 的结构基础，并阐明了 NPA 抑制 PIN 介导的生长素转运的分子机制。 AtPIN3 结构支持生长素运输的类似电梯样的模型，其中运输域经历上下刚体运动，二聚化支架域保持静止。

另外，2022年8月2日，中国科学技术大学孙林峰及刘欣（中国科学技术大学生命科学与医学部杨智森、夏婧，以及中科院分子细胞科学卓越创新中心洪晶晶为该论文共同第一作者）共同通讯在Nature 在线发表题为“Structural insights into auxin recognition and efflux by Arabidopsis PIN1”的研究论文，该研究报告了 PIN 家族的主要成员，拟南芥中的 PIN1（AtPIN1）的三个构象结构：（i）在 apo 状态，（ii）在天然生长素中，吲哚-3-乙酸（ IAA)-结合状态和 (iii) 与 PAT 抑制剂 N-1-萘基邻苯二甲酸 (NPA) 复合。AtPIN1 的跨膜结构域共享一个保守的 NhaA-fold。在底物结合结构中，IAA 通过疏水堆积和氢键进行配位。抑制剂 NPA 与 IAA 以更高的亲和力竞争同一位点。这些发现有助于我们理解 PIN 的底物识别和转运机制，并为未来研究定向生长素运动（植物发育的最关键过程之一）建立了框架。

作为植物中的一种通用激素，生长素在植物发育和生长的许多方面都发挥着核心作用。它广泛分布于绿色植物谱系中，包括轮生植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物。在种子植物中，生长素主要在子叶、幼叶等生长组织中合成，并通过直接极性运输或维管系统运输至目标组织。这种极性的生长素转运 (PAT) 由几种生长素转运蛋白进行，例如 PIN-FORMED (PIN)、生长素转运蛋白 1 (AUX1) 和 ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白，其中 PIN 在 PAT 系统占主要部分。PIN 是介导生长素流出的植物特异性转运蛋白家族。除了生长素外流活性外，PIN 还通过其精细调节的极性膜定位控制生长素在组织中的分布，这是由 PIN 中中央亲水环中的可逆磷酸化调节的。根据它们的一级序列和亚细胞定位，拟南芥 PIN 可分为两个亚家族，一个包含六个定位于质膜的长 PIN（PIN1-PIN4、PIN6 和 PIN7），另一个包括两个定位于内质网的 PIN （PIN5 和 PIN8）。

PIN在许多器官和组织中广泛表达，例如花、胚、茎、莲座叶和根。通过调节生长素稳态，PIN 有助于多个发育过程，如胚胎发生、器官发生、细胞决定和分裂，以及向光性和向地性等反应。PINs的功能障碍导致多种发育缺陷，如根较短、侧根较少、小柱细胞缺陷、根分生组织塌陷、子叶异常和叶脉改变。PIN 的突变会导致极性定位中断和（或）PIN 的外排活性降低，导致生长素分布不平衡。 

N-1-萘基邻苯二甲酸 (NPA) 最初是作为一种除草剂被发现的，60多年来一直被用作生长素转运蛋白的抑制剂来研究 PAT 机制。有人提出，NPA 可能靶向生长素转运蛋白 ABCB1 和 ABCB19 以及它们的伴侣 TWD1/FKBP42。最近，研究表明 NPA 可以直接与 PIN 结合，这为 NPA 抑制 PIN 依赖性生长素转运提供了直接的分子基础。然而，关于 NPA 是否以及如何抑制 IAA 传输 PIN 活动的问题有待通过进一步调查来解决。

尽管 PIN 的生理学和生物化学已被广泛研究，但 PIN 的分子机制仍有待深入研究。在这项研究中，展示了拟南芥 PIN3 (AtPIN3) 处于 apo 状态并与底物吲哚-3-乙酸 (IAA) 或抑制剂 NPA 复合的结构，并提供对 PIN 介导的生长素转运和 NPA 抑制的分子基础的结构洞察。

浙江大学医学院郭江涛组博士后苏楠楠、杨帆组博士生竺爱琴和湖北大学生命科学学院吴姗组博士生陶鑫为论文的共同第一作者，郭江涛、吴姗和杨帆为共同通讯作者。参与这项工作的还有浙江大学生命科学学院郑绍建教授和丁忠杰研究员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海老师、浙江大学农业与生物技术学院郭逸蓉老师和张素芬老师、天津大学生命科学学院叶升教授和湖北大学生命科学学院马立新教授。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05142-w

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05143-9

转自： iNature

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