研究揭示植物磷酸盐跨膜转运与调控的分子机理

1月21日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏与王永飞团队，在《自然-植物》（Nature Plants）上在线发表了题为Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis的研究论文。该研究解析了首个植物磷酸盐转运蛋白的三维结构，揭示了模式植物拟南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子机制和多磷酸肌醇介导的调控机制。

植物进化出复杂的无机磷酸盐（Pi）转运系统，在土壤中吸收Pi并介导Pi在不同的组织和细胞（器）之间运输，以维持Pi稳态。迄今为止，科研人员在植物中鉴定出多种Pi转运蛋白。其中，PHO1及同源蛋白属于SPX-EXS家族。目前，植物Pi转运蛋白三维结构和调控机制尚不清楚。

拟南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1是SPX-EXS家族Pi转运蛋白的典型代表。二者均参与无机磷向木质部导管的装载过程，以实现磷从根部到地上部分的运输。PHO1蛋白包含N端的胞质侧SPX结构域和C端EXS跨膜结构域。SPX结构域作为Pi感受器，能够与细胞内高磷信号分子焦磷酸肌醇结合，从而调控磷外排活性。而关于PHO1蛋白如何介导Pi的外排以及焦磷酸肌醇的调控机制尚不明晰。

该研究运用电生理技术验证了六磷酸肌醇（InsP₆）对AtPHO1;H1外排Pi的激活作用。进一步，研究通过异源表达纯化AtPHO1;H1蛋白，并利用单颗粒冷冻电镜技术，解析了AtPHO1;H1结合底物Pi及调控分子InsP₆且处于通道关闭构象的三维结构。分子动力学模拟和AlphaFold预测获得了AtPHO1;H1的开放构象。分析发现，AtPHO1;H1以同源二聚体形式存在；它的EXS结构域呈现新的蛋白质折叠方式，每个EXS结构域均包含一个独立的底物运输通道。两个关键的门控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物结合位点上方，调控通道的开放与关闭。结构和生化分析结果显示，InsP₆结合于SPX结构域的二聚体界面，发挥“分子胶水”的功能，促进SPX二聚化过程并增强AtPHO1;H1的活性。同时，研究发现，AtPHO1;H1的C端结合于EXS结构域和SPX结构域之间，对于维持AtPHO1;H1活性具有关键作用。

该研究基于结构和功能分析发现，AtPHO1;H1采用类似通道的机制介导Pi的外排，并通过感知磷酸肌醇水平来精准调控自身的转运活性。据此，研究提出了AtPHO1;H1的工作与调控模型。在低磷条件下，植物体缺少焦磷酸肌醇信号分子，AtPHO1;H1蛋白EXS结构域的Pi转运通道被处于单体状态的SPX结构域阻挡，导致底物Pi无法进入转运通道而处于失活状态；磷浓度升高促进焦磷酸肌醇信号分子生成并结合到AtPHO1;H1的SPX结构域，后者发生构象变化并二聚化，使得EXS结构域的Pi转运通道暴露出来；Pi进入转运通道并促使门控氨基酸及跨膜螺旋TM9发生构象变化，转运通道完全开放，实现了Pi从高浓度向低浓度转运。

这一研究揭示了植物磷酸盐转运蛋白的结构与分子机制。同时，鉴于PHO1与植物的光合作用效率相关，该成果为改造作物磷吸收水平和光合作用效率奠定了理论基础。

研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院及上海市的支持。

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