研究解析渗透压调控的胆碱转运蛋白结构与机制

　　8月15日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐研究组联合复旦大学张金儒团队、美国爱荷华州立大学Gwyn A. Beattie团队，在《科学进展》（Science Advances）上发表了题为Structure and mechanism of the osmoregulated choline transporter BetT的研究论文。该研究解析了与细菌渗透压保护相关的胆碱转运蛋白BetT的高分辨率冷冻电镜结构，阐明了BetT识别胆碱的分子基础以及活性调控的自抑制机制，为改造植物以提高叶绿体胆碱摄取能力及抗逆能力提供了借鉴。

　　光合作用是植物生长发育的基础。在逆境条件下，植物通过一系列策略来保护自身免受光抑制损伤。研究显示，甜菜碱对于保护植物在高盐、干旱、高温等环境压力下免受光抑制损伤具有重要作用，而引入甜菜碱合成相关基因可以提高植物的耐逆能力和光合固碳效率。植物的甜菜碱在叶绿体中合成，需要将前体胆碱转运到叶绿体内，进一步生成甜菜碱。研究显示，细菌存在类似的胆碱转运和甜菜碱合成途径，且生成的甜菜碱可以帮助细菌抵御外界渗透压的变化。

　　该研究聚焦细菌中渗透压调控的胆碱转运蛋白BetT，利用冷冻电镜技术解析了来源于丁香假单胞菌的BetT（PsBetT）处于apo和胆碱结合状态的结构，分辨率分别为2.57埃和2.58埃。结构显示，BetT蛋白采用经典的LeuT折叠模式，形成domain-swapped的三聚体。其中，每个单体的C端结构域与相邻单体的跨膜结构域相互作用。底物胆碱结合在由三个高度保守的色氨酸形成的特殊口袋中，涉及阳离子-π相互作用。突变结合口袋的相关氨基酸残基影响BetT对胆碱的转运。此外，关于胆碱的质子协同转运机制，研究通过功能实验找到潜在的质子化位点D210。这与结构上的发现吻合。

　　对于PsBetT的活性调控机制，研究人员根据结构分析提出自抑制模型，并推测自抑制的活性调控机制涉及跨膜结构域和C端结构域之间的相互作用。功能实验结果表明，野生型BetT仅在高盐条件下表现出较高的胆碱转运活性，而C端结构域截短体BetTΔCTD在低盐条件下表现出较高的胆碱转运活性。C端结构域和跨膜结构域相互作用界面处的关键氨基酸残基的突变体同样在低盐条件下表现出较高的胆碱转运活性。此外，自抑制机制依赖于BetT三聚体的形成。如果通过突变使BetT解聚成单体，则其单体在低盐条件下即可表现出较高的活性。

　　上述成果揭示了BetT的胆碱识别机制以及渗透压对其活性的调控机理，为探讨同家族蛋白的活性调控机制提供了模板。同时，该研究为改造植物以提高光合作用效率提供了分子策略。