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    Science | 拟南芥ABC转运蛋白ABCB19参与油菜素内酯外排的结构和功能


    油菜素甾醇类激素BR被称为第六大类植物激素。它可以调控植物生长发育,还可以提高植物对干旱、盐碱等环境以及病虫害胁迫的适应性。油菜素甾醇及其人工合成类似物在农业生产中有着广泛应用,可显著提高作物产量和抗逆性。BR通过其信号通路发挥作用,此前关于其合成、代谢以及信号转导过程已经有了一定了解。BR在细胞内进行合成,但是却在细胞外被受体感知,继而引发下游信号。BR如何从细胞内被运输至细胞外发挥作用仍然未知,也是领域内亟待解决的关键科学问题。

     

    中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授团队联合比利时根特大学Eugenia Russinova教授团队鉴定了植物中首个油菜素甾醇(Brassinosteroid,BR)跨膜运输蛋白,即拟南芥ABCB19蛋白,并系统阐释了该蛋白的工作机理。相关成果以Structure and function of the Arabidopsis ABC transporter ABCB19 in brassinosteroid export为题,于2024年3月22日发表在Science上。

     

    研究内容

    ABCB19的ATP酶活性可以被生物活性油菜素内酯以剂量依赖的方式刺激,但不会被生长素或油菜素内酯生物合成的前体所激活。

    利用体外ATP酶实验,测试ABCB19的底物特异,实验验证了TWD1促进ABCB19的表达,利用纯化的ABCB19蛋白在体外测试了在四种促进植物生长的植物激素,即吲哚3-乙酸(IAA)、吲哚3-丁酸(IBA)、油菜素内酯(BL)和赤霉烯酸3(GA3)存在的条件下ATP酶活性,结果表明ABCB19的ATP酶活性在IAA、IBA、GA3存在测条件下保持不变而被BL方式刺激表达。添加纯化的TWD1蛋白后ABCB19 ATP酶活性则不受BL刺激。

    通过等温滴定热法确定了ABCB19与活性油菜素内酯之间的结合亲和力。

    利用体外脂质体基和体内原生质体基测定,评估了ABCB19对油菜素内酯的运输能力。结果证明不不论是在异源体系中还是在植物细胞内,ABCB19都具有油菜素内酯的转运能力。

    图1 ABCB19转运油菜素内酯

     

    利用冷冻电镜技术解析了ABCB19的三维结构,分别对油菜素内酯未结合及结合条件下,野生型ABCB19和ATP酶活性突变体在不同ATP结合状态下的结构进行了分析。在ATP结合前呈内向构象,在ATP结合后向外向构象过度,最后释放底物并在ATP水解后返回内向构象。在ABCB19的跨膜结构域之间发现了一个额外的R结构域,ABCB1中的相应序列是蛋白激酶PINOID的直接靶点,并受其与TWD1的相互作用调节。

    图2 ABCB19在底物-非结合状态下的结构

     

     

    图3 油菜素内酯结合ABCB19的结构

     

    ABCA1 ABCB19双突变体严重矮化通过遗传分析确认了ABCB19及其密切同源体ABCB1在油菜素内酯信号传导中的作用。

    研究证实在植物细胞内ABCB19蛋白能够向细胞外外排BR分子,并且正向调控植物的BR信号。

    图4 ABCB1和ABCB19正调控油菜素内酯信号

     

    研究结果

    该研究鉴定了植物中首个油菜素甾醇转运蛋白,系统揭示了其识别、运输油菜素甾醇的分子过程,将对进一步理解、利用BR激素信号服务农业生产提供更多帮助。

     

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