Nature Plants | 中科大孙林峰团队揭示植物激素脱落酸跨膜运输过程的分子机制

2023年09月04日，中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授团队在Nature Plants杂志上发表了题为“Structural basis for abscisic acid efflux mediated by ABCG25 in Arabidopsis thaliana”的研究论文，报道了植物中首个脱落酸外排蛋白ABCG25单独的、与底物脱落酸结合的，以及与ATP结合的高分辨率结构，并结合生化功能实验阐释了ABCG25蛋白的工作机制，加深了我们对脱落酸运输和信号传导过程的理解。同日，Nature Plants还发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏团队题为“Cryo-EM structure and molecular mechanism of abscisic acid transporter ABCG25”的背靠背研究论文，报道了相同蛋白的工作机制。

脱落酸(Abscisic acid, ABA) 在植物生长发育过程中起着至关重要的作用，如调节种子萌发和休眠、根生长、气孔关闭和叶片衰老等。同时脱落酸也是植物适应各种非生物或生物胁迫的关键激素，如干旱、盐、寒冷以及病原体入侵等。自20世纪60年代 ABA被首次发现以来，其信号通路受到广泛研究，确定了关键的ABA受体、调控因子及其相互作用网络。局部ABA的浓度对于启动信号级联及其作用发挥至关重要，并受到运输途径的严格调控。研究发现，植物中同时存在ABA的短距离和长距离运输过程，包括根和叶片中ABA的局部分布，以及根-茎尖、茎尖-根、叶片-种子等的长距离运输。ABA的运输过程也受到越来越多的关注。2021年，四川农业大学李仕贵教授课题组与中国科学技术大学向成斌教授课题组合作发现，水稻拥有一套从叶片到颖果的ABA长距离运输系统，通过响应温度调控ABA从叶片到颖果的转运效率，进而调节各温度下种子的正常发育（doi/10.1126/sciadv.abc8873）。ABA是一种弱酸分子，pKa值约为4.7，在酸性外质体环境中部分呈质子化不带电形式(ABAH)，可以在质膜上自由扩散，一旦进入细胞，由于细胞质pH升高，解离成阴离子形式(ABA-)，其运动受到限制。因此，位于细胞膜上的转运蛋白是ABA外排过程所必需的。此前已经鉴定了包括ABCG25在内的多个ABA跨膜转运蛋白，但是仍然缺乏分子机制方面的阐释。

本研究中，孙林峰团队针对ABCG25展开研究。ABCG25是第一个通过ABA敏感表型遗传筛选被鉴定出的ABA外排蛋白。它主要在维管组织中表达，也在胚乳中表达，与另一种ABA外排基因ABCG31一起，将ABA从胚乳输出到胚中，调节种子萌发等。团队首先建立了一套基于放射性同位素和昆虫Sf9细胞的ABA外排功能检测的生化体系，证明了ABCG25具有ABA外排活性。此外，团队还测定了ABCG25蛋白水解ATP的酶活，发现其本底酶活很高，并可以被底物ABA进一步促进。在功能分析的同时，团队利用冷冻电镜单颗粒重构技术，成功解析了ABCG25蛋白单独的（apo-form），与底物ABA结合，以及与ATP结合的三个高分辨率结构。ABCG25蛋白形成了同源二聚体，呈现经典的ABC转运蛋白超家族的结构特点，每个单体由跨膜结构域TMD和核苷酸结合结构域NBD组成。在apo-form和ABA结合状态下，整体结构采取朝向细胞内侧开放（inward facing）的构象，两个跨膜结构域TMD之间形成一个向内开口的锥形空腔（图1）。在底物ABA结合的结构中，ABA分子结合在该空腔中。而在ATP结合的结构中，核苷酸的结合导致ABCG25蛋白的两个NBD相互靠近并关闭，构象变化通过NBD的E-helix和TMD的CnH、CpH形成的三螺旋束传递到TMD。跨膜螺旋的位移导致挤压底物结合空腔，推动底物分子进行移位，胞外侧闸门瞬间打开，底物释放到胞外。

图1. 拟南芥ABCG25蛋白三种不同状态下的三维结构。

通过结构分析，团队鉴定了参与ABA结合的关键氨基酸残基，并结合转运实验和酶活性检测，验证了这些氨基酸残基对于脱落酸结合和转运过程的影响，并提出了ABCG25介导脱落酸外排的机制模型（图2）。综上，该研究阐释了ABCG25识别、运输脱落酸的工作过程，为进一步理解植物脱落酸信号通路奠定了重要基础。

图2. ABCG25介导ABA外排过程的分子机制模型。

中国科学技术大学生命科学与医学部应伟、廖靓欢和魏宏为该论文共同第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部刘欣副教授、孙林峰教授为共同通讯作者，中科大冷冻电镜中心高永翔博士参与了该项研究工作。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项基金（B类）、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基础科研业务费专项资金及中国科学技术大学统筹推进世界一流大学和一流学科建设专项资金等项目的资助，以及教育部无膜细胞器与细胞动力学重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生物医学与健康安徽省实验室的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01510-0