2024年8月15日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與復(fù)旦大學張金儒團隊、美國愛荷華州立大學Gwyn A. Beattie團隊合作，于Science Advances雜志發(fā)表了題為“Structure and mechanism of the osmoregulated choline transporter BetT”的研究論文，解析了與細菌滲透壓保護相關(guān)的膽堿轉(zhuǎn)運蛋白BetT的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了BetT識別膽堿的分子基礎(chǔ)以及活性調(diào)控的自抑制機制，為改造植物提高葉綠體膽堿攝取能力以及抗逆能力提供了重要借鑒。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。在逆境條件下，植物通過一系列的策略保護自身免受光抑制損傷。大量研究表明甜菜堿對于保護植物在高鹽、干旱、高溫等環(huán)境壓力下免受光抑制損傷具有重要作用,在多種植物和農(nóng)作物中的研究表明引入甜菜堿合成相關(guān)基因可以有效地提高植物的耐逆能力和光合固碳效率。植物的甜菜堿在葉綠體中合成，需要首先將前體膽堿轉(zhuǎn)運到葉綠體內(nèi)，進一步生成甜菜堿。研究表明細菌中也存在類似的膽堿轉(zhuǎn)運和甜菜堿合成途徑，生成的甜菜堿可以幫助細菌抵御外界滲透壓的變化，比如高鹽環(huán)境。

本研究聚焦細菌中滲透壓調(diào)控的膽堿轉(zhuǎn)運蛋白BetT，利用冷凍電鏡技術(shù)解析了來源于丁香假單胞菌的BetT(PsBetT)處于apo和膽堿結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，分辨率分別為2.57埃和2.58埃。結(jié)構(gòu)顯示BetT蛋白采用經(jīng)典的LeuT折疊模式，并形成domain-swapped的三聚體，其中每個單體的C端結(jié)構(gòu)域與相鄰單體的跨膜結(jié)構(gòu)域相互作用。底物膽堿結(jié)合在由三個高度保守的色氨酸形成的特殊口袋中，主要涉及陽離子-π相互作用。突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基嚴重影響BetT對膽堿的轉(zhuǎn)運。此外，關(guān)于膽堿的質(zhì)子協(xié)同轉(zhuǎn)運機制，作者通過功能實驗找到了潛在的質(zhì)子化位點D210，這一結(jié)果與結(jié)構(gòu)上的發(fā)現(xiàn)相吻合 (圖1)。

對于PsBetT的活性調(diào)控機制，作者根據(jù)結(jié)構(gòu)分析提出了自抑制模型，并推測自抑制的活性調(diào)控機制涉及到跨膜結(jié)構(gòu)域和C端結(jié)構(gòu)域之間的相互作用。功能實驗結(jié)果表明，野生型BetT僅在高鹽條件下表現(xiàn)出較高的膽堿轉(zhuǎn)運活性，而C端結(jié)構(gòu)域截短體BetT_ΔCTD在低鹽條件下就表現(xiàn)出較高的膽堿轉(zhuǎn)運活性。C端結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域相互作用界面處的關(guān)鍵氨基酸殘基的突變體同樣在低鹽條件下就表現(xiàn)出較高的膽堿轉(zhuǎn)運活性。此外，自抑制機制依賴于BetT三聚體的形成，如果通過突變使其解聚成單體，則其單體在低鹽條件下即可表現(xiàn)出較高的活性（圖2）。

上述工作揭示了BetT的膽堿識別機制以及滲透壓對其活性的調(diào)控機理，為理解同家族蛋白的活性調(diào)控機制提供了模板。此外，由于下游產(chǎn)物甜菜堿對植物抵御光抑制損傷具有重要的保護作用，該研究也為改造植物提高光合作用效率提供了重要的分子策略。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究生楊天驕、博士后年宇薇、助理研究員林華建和武漢大學博士生李靜為該論文的共同第一作者，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究員，復(fù)旦大學張金儒研究員及愛荷華州立大學Gwyn A. Beattie教授為共同通訊作者。武漢大學王隆飛教授，復(fù)旦大學碩士生林湘及中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心科研助理李天明、王睿瑛也參與了該研究。感謝中山大學劉建忠教授和華南理工大學羅立新教授提供大腸桿菌MKH13菌株。該研究得到中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心、中國科學院先導科技專項和中國科學院上海分院的大力支持和資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6229

圖1 PsBetT的整體結(jié)構(gòu)以及底物識別與轉(zhuǎn)運機制

圖2 PsBetT活性調(diào)控的自抑制機制