陕西
拟南芥COMATOSE（CTS，又称AtABCD1、PAX1）属于ABC转运蛋白超家族ABCD亚家族，定位于植物过氧化物酶体膜上，是介导各类脂酰底物、激素前体及外源除草剂底物跨膜转运的核心转运蛋白，可将细胞质中的脂酰辅酶A、生长素前体等底物转运至过氧化物酶体中完成β-氧化代谢。CTS蛋白功能缺陷会导致植物脂质代谢紊乱、种子萌发受阻、幼苗发育受损、侧根生长异常，同时造成植物激素稳态失衡、抗逆能力下降，严重影响植物正常生长发育。作为植物中唯一的ABCD亚型过氧化物酶体转运蛋白，CTS可覆盖人类ABCD1/2/3的广谱底物功能，广泛参与植物脂质代谢、激素调控与外源异源物质代谢过程。过往研究已通过生理生化实验证实CTS的广谱底物转运特性与重要生理功能，也明确了大量功能缺陷突变表型，但长期以来，CTS蛋白的高分辨率三维结构未知，其识别及转运广谱底物的分子机制始终缺乏清晰阐释。
近日，中国科学技术大学陈宇星教授、侯文韬副教授课题组联合团队在Nature Communications上发表了题为Structural insights into Arabidopsis thaliana CTS-mediated fatty acid and hormone metabolism的研究论文，揭示了拟南芥CTS蛋白介导脂肪酸及激素代谢的分子机制。
该研究利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了拟南芥CTS蛋白五种近原子分辨率三维结构，包含无配基结合状态（apo-form）、ATP结合状态，以及C12:0脂酰辅酶A、生长素前体IBA-CoA、除草剂前体2,4-DB-CoA三种底物结合状态，整体分辨率分别为3.2 Å、3.2 Å、3.4 Å、3.2 Å和3.5 Å（图1）。基于结构解析、生化实验及植物转基因表型验证，作者完整阐明了CTS蛋白广谱识别脂肪酸、内源激素前体及外源除草剂底物的分子机制，揭示了其整合植物脂质代谢、激素调控与外源物质代谢的核心分子原理。相关研究成果以为题于近日在线发表这是该团队在报道人类ABCD1、ABCD3的结构和功能之后，对ABCD家族转运脂肪酸的分子机制的进一步探索。
图1. CTS的三维结构
结构分析表明，apo-form CTS结构呈现向细胞质基质闭合 (inward-occluded)的构象：两个跨膜结构域(TMD)相互靠拢使得底物转运腔闭合，而两个核苷酸结合结构域(NBD)仍保持分离状态。结合了底物C12:0-CoA、IBA-CoA、2,4-DB-CoA的CTS采用向细胞质基质开口（inward-facing）构象，底物的结合诱导两个TMD相互远离，导致两个TMD朝向细胞质基质的通道变宽，底物结合腔打开。陈宇星课题组前期的研究证实，人类ABCD1与ABCD3蛋白可在转运空腔中对称结合两个底物分子。与之截然不同，拟南芥CTS蛋白仅结合单个底物分子，三种底物分子均以独特的“U”形结构结合于双亲性口袋中。TM5、TM7、TM12的极性残基负责特异性识别、固定CoA头部，TM5、TM6、TM11的疏水残基负责锚定酰基链，并且酰基链可在TM11与TM12形成的疏水空腔发生弯折，使其能够容纳各类脂肪酸、植物激素前体及外源除草剂底物。生化与生理实验证明，结合口袋中负责识别与结合CoA头部的碱性残基对底物的转运起重要作用。在结合了ATP的CTS结构中，ATP的结合导致两个NBD发生二聚化，使得TMD转变为向过氧化物酶体基质开放，底物释放后朝向过氧化物酶体基质一侧的转运通道部分闭合，最终使得CTS呈现向外闭合（outward-facing）构象。该研究不仅为阐明CTS的底物转运机制提供了结构基础，从分子转运机制层面阐释了植物复杂的生理表型，还为作物性状改良、新型除草剂研发以及植物抗逆策略制定提供了新思路，也证明CTS是植物代谢调控网络中功能多样的关键枢纽（图2）。
图2. CTS转运多种底物调控礼物生长进程示意图
中国科学技术大学陈宇星教授、侯文韬副教授、周丛照教授、谭树堂教授以及郑基深教授为该论文的共同通讯作者，博士生查志慧、彭亚坤及博士后黄栋梁为该论文的第一作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学集成影像中心完成。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。
原文连接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-73580-5
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