Science Advances | 南方科技大学廖茂富课题组揭示植物ABCB转运蛋白的构象动态及小分子抑制机制

ATP结合盒（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白是一类广泛存在于各类生物中的膜蛋白，依靠ATP水解提供能量，实现多种底物的跨膜转运。在植物中，ABC转运蛋白参与养分吸收、激素（如生长素、脱落酸等）及次生代谢物的转运，是调控植物生长发育和逆境响应的重要因子，为提升植物抗性与产量提供了潜在靶点。近年来，随着冷冻电镜技术的快速发展，植物ABC转运蛋白的构象变化及底物识别机制逐渐被揭示。近期研究发现，植物ABCB1与ABCB19参与油菜素甾醇（BRs）的转运。然而，它们在底物转运过程中所经历的关键构象，及其受小分子调节的机制仍不清楚。

近日，南方科技大学化学生物学系讲席教授廖茂富团队在Science Advances上发表题为Conformational cycle and small-molecule inhibition mechanism of a plant ABCB transporter in lipid membranes的研究论文，解析了植物ABCB19转运蛋白在脂质环境中的构象转变周期，并首次揭示其小分子抑制剂的作用机理。

在本研究中，研究团队将ABCB19重构到类生理状态的脂质纳米盘中，发现其ATP酶活性比在去垢剂中提升超过20倍，表明脂膜对其功能的发挥起重要的支持作用。加入油菜素内酯（BL，一种具有生物活性的油菜素甾醇）后，ABCB19的活性进一步提高了3倍。有趣的是，高浓度BL反而产生明显抑制作用，显示出激素浓度依赖的双向调控效应。

研究者利用冷冻电镜单颗粒技术解析了ABCB19在无底物结合、BL结合、钒酸（vanadate）诱导构象关闭及抑制剂结合等多种状态下的结构，系统地重建了其转运周期。生化和结构的研究显示，钒酸诱导ABCB19形成关闭构象具有明显的温度依赖性，解释了为什么此前的研究无法在低温下形成这种构象。

ABCB19的三维结构

ABCB转运蛋白在植物激素转运中的核心作用推动了针对其小分子抑制剂的开发。研究人员解析了ABCB特异性抑制剂BUM（2-[4-(diethylamino)-2-hydroxybenzoyl]benzoic acid）结合状态下的ABCB19结构。结果显示，两个BUM分子占据与BL高度重叠的疏水结合口袋，将ABCB19锁定在NBD分离的朝内开放状态而阻断其转运功能。全面的突变和功能研究，鉴定了在底物和抑制剂结合中起关键作用的氨基酸。

综上所述，该研究系统性解析了植物转运蛋白 ABCB19 在类生理脂质膜环境中的构象变化与功能机制，首次重建了其行使功能和受抑制剂阻断的全过程。研究为深入理解植物激素运输机制提供了新视角，也为基于结构和分子机制来开发高效植物生长调控剂奠定知识基础。

南方科技大学廖茂富教授为本文通讯作者，刘永博士为本文第一作者。本研究得到了南方科技大学高分辨生物电镜结构研究院和冷冻电镜中心的大力支持。

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv9721

廖茂富教授长期聚焦于膜蛋白机制解析与新型靶向药物开发，作为通讯作者在Cell、Nature和Science发表论文十余篇。综合使用多种电镜技术、高通量化合物库筛选、抗体开发和计算生物学等手段，开拓针对蛋白分子机器的原位结构、构象动态和调节机制的前沿研究。现招聘博士后、高级研究学者和科研助理。详情请参见：