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11月4日，《自然-植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究組完成的題為Cryo-EM structure and molecular mechanism of the jasmonic acid transporter ABCG16的研究論文。該研究揭示了ABC（ATP-binding cassette）家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG16特異識別和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)植物激素茉莉酸的分子機(jī)制。

作為植物激素，茉莉酸在植物對生物及非生物脅迫的防御反應(yīng)中發(fā)揮作用，參與調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。茉莉酸合成起始于植物葉綠體，在過氧化物酶體、液泡等細(xì)胞器中完成合成、修飾與代謝，進(jìn)而被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核以發(fā)揮生理作用。而跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在茉莉酸及前體和衍生物的跨膜運(yùn)輸過程中發(fā)揮作用。在擬南芥中，ABCG16/JAT1是質(zhì)膜及核膜定位的ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。有研究發(fā)現(xiàn)AtABCG16可以介導(dǎo)茉莉酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，亦有研究顯示AtABCG16可以參與脫落酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。然而，關(guān)于茉莉酸在跨膜運(yùn)輸過程中如何被轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白特異識別及轉(zhuǎn)運(yùn)的分子過程尚不明晰。

該研究利用非洲爪蟾卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)體系檢測發(fā)現(xiàn)，AtABCG16可以介導(dǎo)茉莉酸的外向轉(zhuǎn)運(yùn)，但不轉(zhuǎn)運(yùn)脫落酸。通過異源表達(dá)、純化蛋白并結(jié)合不同的ATP類似物，研究在體外重構(gòu)了AtABCG16跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程的不同狀態(tài)，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了AtABCG16處于不同構(gòu)象狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，包括朝向細(xì)胞內(nèi)的apo構(gòu)象、結(jié)合底物茉莉酸的構(gòu)象、封閉構(gòu)象及朝向細(xì)胞外的后轉(zhuǎn)運(yùn)構(gòu)象。

三維結(jié)構(gòu)分析揭示了AtABCG16的同源二聚體結(jié)構(gòu)、茉莉酸的結(jié)合位點(diǎn)以及決定底物特異性結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸。同時(shí)，研究利用非洲爪蟾卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)體系和擬南芥脅迫處理實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氨基酸在茉莉酸結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用。進(jìn)一步，研究分析發(fā)現(xiàn)了AtABCG16的底物結(jié)合口袋無法容納脫落酸的結(jié)合，進(jìn)而明晰了AtABCG16無法介導(dǎo)脫落酸轉(zhuǎn)運(yùn)的原因。

該研究通過比較AtABCG16的不同構(gòu)象發(fā)現(xiàn)，AtABCG16在胞質(zhì)側(cè)具有兩個(gè)獨(dú)立的底物入口，分別通往各自的底物結(jié)合口袋，并與二聚體組成的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道相連。同時(shí)，兩個(gè)芳香族氨基酸Y494與F608位于底物入口和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道中，分別控制二者的開閉。這一結(jié)構(gòu)特征決定了AtABCG16轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制與已知的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不同?；诮Y(jié)構(gòu)和生化分析，研究提出了AtABCG16介導(dǎo)的茉莉酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的工作模型。

該研究揭示了AtABCG16特異識別并跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)茉莉酸的分子機(jī)理，解釋了AtABCG16在轉(zhuǎn)運(yùn)底物上的爭議，并豐富了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院的支持。

論文鏈接

ABCG16跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)茉莉酸的分子過程模型