188bet足球生命科學與醫學部孫林峰、劉欣團隊聯合譚樹堂團隊合作在植物激素運輸領域取得重要研究突破，首次報道了植物生長素內向轉運蛋白AUX1的三維結構，系統闡釋了該蛋白依賴于質子濃度梯度向胞內運輸生長素的分子機制。相關研究成果以“Structural insights into auxin influx mediated by the Arabidopsis AUX1”為題于5月15日發表在國際學術期刊《細胞》（Cell）上。
作(zuo)為(wei)最早被發(fa)(fa)現的(de)(de)(de)植(zhi)物激素(su)(su)，生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)幾乎(hu)參(can)與(yu)了植(zhi)物整(zheng)個生(sheng)命周期的(de)(de)(de)各個過程，如根和(he)芽的(de)(de)(de)形成(cheng)、莖葉(xie)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)、向光(guang)和(he)向重力性(xing)(xing)反應等(deng)。生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)在植(zhi)物體內并(bing)不(bu)是(shi)“隨機擴散”，而是(shi)呈現出明(ming)顯的(de)(de)(de)極性(xing)(xing)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸特(te)性(xing)(xing)——也就是(shi)說(shuo)，它會(hui)沿著(zhu)特(te)定方(fang)(fang)向在細胞間(jian)流(liu)動，從(cong)而形成(cheng)濃度(du)梯度(du)，調控植(zhi)物發(fa)(fa)育和(he)環境響(xiang)應。日(ri)(ri)常常見(jian)的(de)(de)(de)向日(ri)(ri)葵“轉(zhuan)(zhuan)頭”運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)動就是(shi)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)在向光(guang)側(ce)和(he)背光(guang)側(ce)分布不(bu)均勻產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)結果(guo)。這(zhe)種有方(fang)(fang)向的(de)(de)(de)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸主要依賴三類蛋(dan)白的(de)(de)(de)協同作(zuo)用(yong)：負責(ze)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)從(cong)胞內向胞外運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸的(de)(de)(de)PIN家(jia)族和(he)ABCB家(jia)族蛋(dan)白成(cheng)員(yuan)，以及負責(ze)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)從(cong)胞外轉(zhuan)(zhuan)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)至細胞內的(de)(de)(de)AUX1/LAX家(jia)族成(cheng)員(yuan)。它們的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)方(fang)(fang)式和(he)調控機制(zhi)各異，對于(yu)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)極性(xing)(xing)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸和(he)特(te)定空(kong)間(jian)分布發(fa)(fa)揮(hui)了十分關鍵的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。目前，現有研究仍然缺(que)乏對介導(dao)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)內向運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸的(de)(de)(de)AUX1/LAX蛋(dan)白分子水平的(de)(de)(de)認知，成(cheng)為(wei)理解(jie)生(sheng)長(chang)(chang)(chang)(chang)素(su)(su)極性(xing)(xing)運(yun)(yun)(yun)(yun)(yun)輸機制(zhi)的(de)(de)(de)關鍵“缺(que)口”。
擬南芥AUX1是首個被鑒定(ding)的(de)生(sheng)長(chang)素內向(xiang)運輸蛋白(bai)，其功能缺陷導致生(sheng)長(chang)素極性(xing)運輸受(shou)阻，產生(sheng)根的(de)向(xiang)重力性(xing)喪失、主根伸(shen)長(chang)抑制(zhi)、下胚軸向(xiang)光(guang)性(xing)受(shou)損，以及(ji)葉序(xu)排列異常等表型(xing)。孫林峰、劉欣團隊(dui)與譚樹堂(tang)團隊(dui)展(zhan)開(kai)合(he)作，針對擬南芥AUX1進行(xing)了研究(jiu)。首先，研究(jiu)團隊(dui)搭建了基于放射性(xing)同位素的(de)生(sheng)長(chang)素內向(xiang)運輸檢測體系，結合(he)生(sheng)化(hua)手段，證實了AUX1蛋白(bai)的(de)生(sheng)長(chang)素結合(he)和轉運活性(xing)受(shou)到質子(zi)濃(nong)度的(de)影(ying)響(xiang)，并被此前報道的(de)小分子(zi)抑制(zhi)劑CHPAA（3-chloro-4-hydroxyphenylacetic acid）等抑制(zhi)。
進(jin)一步(bu)，研(yan)究團(tuan)隊(dui)利用冷凍電鏡技術，解析了(le)(le)(le)AUX1在無底物(wu)(wu)(wu)結(jie)(jie)(jie)合(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)、與底物(wu)(wu)(wu)生(sheng)(sheng)長素(su)IAA結(jie)(jie)(jie)合(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，以(yi)(yi)及與小分子(zi)抑制(zhi)劑CHPAA結(jie)(jie)(jie)合(he)的(de)(de)三種(zhong)不同(tong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)下的(de)(de)高分辨率三維結(jie)(jie)(jie)構，首次揭示了(le)(le)(le)AUX1/LAX家族蛋白的(de)(de)形貌。通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)分析生(sheng)(sheng)長素(su)結(jie)(jie)(jie)合(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)構，研(yan)究團(tuan)隊(dui)鑒(jian)定了(le)(le)(le)參與生(sheng)(sheng)長素(su)結(jie)(jie)(jie)合(he)的(de)(de)關(guan)鍵氨基(ji)(ji)(ji)酸殘基(ji)(ji)(ji)，并通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)生(sheng)(sheng)化和(he)(he)植物(wu)(wu)(wu)生(sheng)(sheng)理學(xue)分析驗(yan)(yan)證(zheng)了(le)(le)(le)這(zhe)些位點的(de)(de)重(zhong)要(yao)性(xing)。特別的(de)(de)是，通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)比較(jiao)無底物(wu)(wu)(wu)結(jie)(jie)(jie)合(he)和(he)(he)底物(wu)(wu)(wu)結(jie)(jie)(jie)合(he)不同(tong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)下的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)構，研(yan)究團(tuan)隊(dui)發現蛋白參與底物(wu)(wu)(wu)結(jie)(jie)(jie)合(he)的(de)(de)跨膜螺旋產生(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)較(jiao)大的(de)(de)構象變化，尤(you)其(qi)是第(di)249位的(de)(de)組(zu)氨酸殘基(ji)(ji)(ji)H249，側鏈存在較(jiao)大偏轉(zhuan)，暗(an)示其(qi)在底物(wu)(wu)(wu)識(shi)別過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)發揮(hui)作(zuo)(zuo)用。進(jin)一步(bu)，研(yan)究團(tuan)隊(dui)與香港(gang)中(zhong)文大學(xue)（深(shen)圳）竺立哲團(tuan)隊(dui)合(he)作(zuo)(zuo)，開展了(le)(le)(le)分子(zi)動力(li)學(xue)模(mo)擬(ni)實驗(yan)(yan)，驗(yan)(yan)證(zheng)了(le)(le)(le)H249在生(sheng)(sheng)長素(su)識(shi)別和(he)(he)質(zhi)子(zi)耦合(he)過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)的(de)(de)重(zhong)要(yao)角色。CHPAA是一種(zhong)之前報道的(de)(de)生(sheng)(sheng)長素(su)內(nei)向(xiang)運(yun)輸(shu)特異性(xing)抑制(zhi)劑，常(chang)被(bei)作(zuo)(zuo)為(wei)工具用來(lai)研(yan)究生(sheng)(sheng)長素(su)極性(xing)運(yun)輸(shu)過(guo)(guo)(guo)程。通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)解析AUX1在CHPAA結(jie)(jie)(jie)合(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)下的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)構，從而為(wei)其(qi)抑制(zhi)機(ji)理提供了(le)(le)(le)見解。基(ji)(ji)(ji)于以(yi)(yi)上結(jie)(jie)(jie)果(guo)，研(yan)究團(tuan)隊(dui)提出了(le)(le)(le)AUX1依賴于質(zhi)子(zi)濃度梯(ti)度，介導生(sheng)(sheng)長素(su)內(nei)向(xiang)運(yun)輸(shu)的(de)(de)轉(zhuan)運(yun)模(mo)型。
圖1.AUX1蛋白介(jie)導的(de)生長(chang)素內向運輸機制。
該(gai)研究(jiu)首次揭示(shi)了(le)(le)由AUX1/LAX蛋(dan)白(bai)(bai)家族介導的(de)植物(wu)生(sheng)長(chang)素(su)內向運輸(shu)的(de)分(fen)(fen)子(zi)基礎(chu)，填補了(le)(le)生(sheng)長(chang)素(su)極(ji)性(xing)運輸(shu)過(guo)程的(de)關鍵空白(bai)(bai)。結合前期對(dui)生(sheng)長(chang)素(su)外向運輸(shu)蛋(dan)白(bai)(bai)PIN1的(de)研究(jiu)，孫林(lin)峰(feng)、劉欣團隊從分(fen)(fen)子(zi)層面繪制了(le)(le)生(sheng)長(chang)素(su)極(ji)性(xing)運輸(shu)過(guo)程的(de)圖景。這一系列成果不僅有(you)助于加深對(dui)植物(wu)激素(su)運輸(shu)機制的(de)理解，也為未來開(kai)發基于這些轉運蛋(dan)白(bai)(bai)的(de)小分(fen)(fen)子(zi)調控劑奠定了(le)(le)基礎(chu)，有(you)望在農業除草劑開(kai)發、提升作(zuo)物(wu)產(chan)量(liang)和環境適(shi)應性(xing)等(deng)方面發揮應用價值(zhi)。
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論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.028
（生(sheng)命科學與醫學部、科研(yan)部）
