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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰和劉欣團隊與譚樹堂團隊合作，在植物激素運輸領(lǐng)域取得突破。該團隊首次報道了植物生長素內(nèi)向轉(zhuǎn)運蛋白AUX1的三維結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡釋了該蛋白依賴于質(zhì)子濃度梯度向胞內(nèi)運輸生長素的分子機制。

作為最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素，生長素幾乎參與了植物整個生命周期的各個過程，如根和芽的形成、莖葉的生長、向光和向重力性反應(yīng)等。生長素在植物體內(nèi)并不是“隨機擴散”，而是呈現(xiàn)出明顯的極性運輸特性。也就是說，它會沿著特定方向在細胞間流動，從而形成濃度梯度，調(diào)控植物發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)。常見的向日葵“轉(zhuǎn)頭”運動就是生長素在向光側(cè)和背光側(cè)分布不均勻產(chǎn)生的結(jié)果。這種有方向的運輸主要依賴三類蛋白的協(xié)同作用：負責生長素從胞內(nèi)向胞外運輸?shù)腜IN家族和ABCB家族蛋白成員，以及負責生長素從胞外轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)的AUX1/LAX家族成員。它們的轉(zhuǎn)運方式和調(diào)控機制各異，對于生長素極性運輸和特定空間分布發(fā)揮了關(guān)鍵作用。目前，現(xiàn)有研究仍缺乏對介導(dǎo)生長素內(nèi)向運輸?shù)腁UX1/LAX蛋白分子水平的認知，成為理解生長素極性運輸機制的關(guān)鍵“缺口”。

擬南芥AUX1是首個被鑒定的生長素內(nèi)向運輸?shù)鞍祝涔δ苋毕輰?dǎo)致生長素極性運輸受阻，產(chǎn)生根的向重力性喪失、主根伸長抑制、下胚軸向光性受損以及葉序排列異常等表型。該團隊搭建了基于放射性同位素的生長素內(nèi)向運輸檢測體系，采用生化手段，證實擬南芥AUX1蛋白的生長素結(jié)合和轉(zhuǎn)運活性受到質(zhì)子濃度的影響，并被此前報道的小分子抑制劑CHPAA等抑制。

進一步，該研究利用冷凍電鏡技術(shù)，解析了AUX1在無底物結(jié)合狀態(tài)、與底物生長素IAA結(jié)合狀態(tài)，以及與小分子抑制劑CHPAA結(jié)合的三種不同狀態(tài)下的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了AUX1/LAX家族蛋白的形貌。研究通過分析生長素結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)鑒定了參與生長素結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸殘基，并通過生化和植物生理學(xué)分析驗證了這些位點的重要性。特別的是，研究比較無底物結(jié)合和底物結(jié)合不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，蛋白參與底物結(jié)合的跨膜螺旋產(chǎn)生了較大的構(gòu)象變化，尤其是第249位的組氨酸殘基H249，側(cè)鏈存在較大偏轉(zhuǎn)，暗示其在底物識別過程中發(fā)揮作用。進而，該團隊與香港中文大學(xué)（深圳）竺立哲團隊合作，開展了分子動力學(xué)模擬實驗，驗證了H249在生長素識別和質(zhì)子耦合過程中的重要作用。CHPAA是之前報道的生長素內(nèi)向運輸特異性抑制劑，常被作為工具用來研究生長素極性運輸過程。該研究通過解析AUX1在CHPAA結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，為其抑制機理提供了見解?；谏鲜龀晒?，團隊提出了AUX1依賴于質(zhì)子濃度梯度來介導(dǎo)生長素內(nèi)向運輸?shù)霓D(zhuǎn)運模型。

該研究首次揭示了由AUX1/LAX蛋白家族介導(dǎo)的植物生長素內(nèi)向運輸?shù)姆肿踊A(chǔ)，填補了生長素極性運輸過程的關(guān)鍵空白。結(jié)合前期對生長素外向運輸?shù)鞍譖IN1的研究，該團隊從分子層面繪制了生長素極性運輸過程的圖景。這一系列成果有助于加深對植物激素運輸機制的理解，并為未來開發(fā)基于這些轉(zhuǎn)運蛋白的小分子調(diào)控劑奠定基礎(chǔ)。

5月15日，相關(guān)研究成果以Structural insights into auxin influx mediated by the?Arabidopsis?AUX1為題，發(fā)表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、教育部、中國科學(xué)院以及安徽省和深圳市等的支持。

論文鏈接

AUX1蛋白介導(dǎo)的生長素內(nèi)向運輸機制