2025年1月21日，Nature Plants在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬與王永飛團(tuán)隊(duì)合作完成的題為“Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis”的研究論文。該研究解析了首個(gè)植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，揭示了模式植物擬南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子機(jī)制和多磷酸肌醇介導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制。

磷是所有生物體所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，在遺傳信息儲(chǔ)存、細(xì)胞膜形成、能量貨幣等方面具有多種生理作用。然而，由于土壤中磷的可用性差，磷是全球作物生產(chǎn)力的主要限制因素。植物進(jìn)化出了復(fù)雜的無(wú)機(jī)磷酸鹽（Inorganic phosphate, Pi）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，從土壤中吸收Pi，并介導(dǎo)Pi在不同的組織和細(xì)胞（器）之間運(yùn)輸，以維持Pi穩(wěn)態(tài)。迄今為止，已在植物中鑒定出多種Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其中PHT1、PHT5和VPE蛋白屬于MFS家族，SPDT、PHT2、PHT3和PHT4蛋白屬于SLC家族，PHO1及同源蛋白屬于獨(dú)特的SPX-EXS家族。目前仍然缺少對(duì)植物Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三維結(jié)構(gòu)及調(diào)控機(jī)制的了解。

擬南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1（AtPHO1/AtPHO1;H1）是SPX-EXS家族Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的典型代表，二者均參與無(wú)機(jī)磷向木質(zhì)部導(dǎo)管的裝載過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)磷從根部到地上部分的運(yùn)輸（圖1）。PHO1蛋白包含N端的胞質(zhì)側(cè)SPX結(jié)構(gòu)域和C端EXS跨膜結(jié)構(gòu)域，其中SPX結(jié)構(gòu)域作為Pi感受器，能夠與細(xì)胞內(nèi)高磷信號(hào)分子焦磷酸肌醇結(jié)合，從而調(diào)控磷外排活性。然而，人們對(duì)于PHO1蛋白如何介導(dǎo)Pi的外排以及焦磷酸肌醇的調(diào)控機(jī)制并不了解。

研究人員首先運(yùn)用電生理技術(shù)驗(yàn)證了六磷酸肌醇（InsP₆）對(duì)AtPHO1;H1外排Pi的激活作用（圖1a）。進(jìn)而，通過(guò)異源表達(dá)純化AtPHO1;H1蛋白，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了AtPHO1;H1結(jié)合底物Pi及調(diào)控分子InsP₆、且處于通道關(guān)閉構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)（圖1b）。進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)模擬和AlphaFold預(yù)測(cè)獲得了AtPHO1;H1的開(kāi)放構(gòu)象（圖1c）。分析發(fā)現(xiàn)，AtPHO1;H1以同源二聚體形式存在；其EXS結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)一種新的蛋白質(zhì)折疊方式，每個(gè)EXS結(jié)構(gòu)域都包含一個(gè)獨(dú)立的底物運(yùn)輸通道（圖1c）。兩個(gè)關(guān)鍵的門(mén)控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物結(jié)合位點(diǎn)上方，調(diào)控通道的開(kāi)放與關(guān)閉。結(jié)構(gòu)和生化分析結(jié)果表明，InsP₆結(jié)合于SPX結(jié)構(gòu)域的二聚體界面，發(fā)揮“分子膠水”的功能，促進(jìn)SPX二聚化過(guò)程并顯著增強(qiáng)AtPHO1;H1的活性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)AtPHO1;H1的C端結(jié)合于EXS結(jié)構(gòu)域和SPX結(jié)構(gòu)域之間，對(duì)于維持AtPHO1;H1活性起關(guān)鍵作用。

基于結(jié)構(gòu)和功能分析，研究者發(fā)現(xiàn)AtPHO1;H1采用一種類(lèi)似通道的機(jī)制介導(dǎo)Pi的外排，并通過(guò)感知磷酸肌醇水平來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控自身的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。據(jù)此研究者提出了AtPHO1;H1的工作與調(diào)控模型（圖2）：在低磷條件下，植物體缺少焦磷酸肌醇信號(hào)分子（高磷信號(hào)），AtPHO1;H1蛋白EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)通道被處于單體狀態(tài)的SPX結(jié)構(gòu)域阻擋，導(dǎo)致底物Pi無(wú)法進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道而處于失活狀態(tài)（圖2，左）；磷濃度的升高會(huì)促進(jìn)焦磷酸肌醇信號(hào)分子的生成，并結(jié)合到AtPHO1;H1的SPX結(jié)構(gòu)域，后者發(fā)生構(gòu)象變化并二聚化，使得EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)通道暴露出來(lái)（圖2，中）；Pi進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道并促使門(mén)控氨基酸（Tyr610/Trp719）及跨膜螺旋TM9發(fā)生構(gòu)象變化，轉(zhuǎn)運(yùn)通道完全開(kāi)放，從而實(shí)現(xiàn)Pi從高濃度向低濃度的轉(zhuǎn)運(yùn)（圖2，右）。

該工作首次揭示了植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)制；同時(shí)鑒于PHO1與植物的光合作用效率相關(guān)聯(lián),該研究也為改造作物磷吸收水平和光合作用效率提供了重要的理論基礎(chǔ)。在本研究審稿期間，有研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了哺乳動(dòng)物中SPX-EXS家族磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白XPR1的結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)制: Nature（doi: 10.1038/s41586-024-07852-9）和Science（doi: 10.1126/science.adp3252）。這些研究與本研究共同揭示了SPX-EXS家族磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能擁有相似的轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控機(jī)制。

分子植物卓越中心張鵬研究組的博士研究生方孫貞合、博士后楊陽(yáng)和助理研究員張雪博士為該項(xiàng)工作的共同第一作者。張鵬和王永飛為該研究的共同通訊作者。本研究的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和蛋白樣品分析得到了中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心和分子植物卓越中心公共技術(shù)服務(wù)中心的支持和幫助。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院及上海市項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01895-6

圖1. AtPHO1;H1的電生理分析、整體結(jié)構(gòu)和底物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道

圖2. AtPHO1;H1的工作模型