2025年1月21日，Nature Plants在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬與王永飛團隊合作完成的題為“Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis”的研究論文。該研究解析了首個植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白的三維結(jié)構(gòu)，揭示了模式植物擬南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子機制和多磷酸肌醇介導(dǎo)的調(diào)控機制。

磷是所有生物體所必需的大量營養(yǎng)元素，在遺傳信息儲存、細胞膜形成、能量貨幣等方面具有多種生理作用。然而，由于土壤中磷的可用性差，磷是全球作物生產(chǎn)力的主要限制因素。植物進化出了復(fù)雜的無機磷酸鹽（Inorganic phosphate, Pi）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，從土壤中吸收Pi，并介導(dǎo)Pi在不同的組織和細胞（器）之間運輸，以維持Pi穩(wěn)態(tài)。迄今為止，已在植物中鑒定出多種Pi轉(zhuǎn)運蛋白，其中PHT1、PHT5和VPE蛋白屬于MFS家族，SPDT、PHT2、PHT3和PHT4蛋白屬于SLC家族，PHO1及同源蛋白屬于獨特的SPX-EXS家族。目前仍然缺少對植物Pi轉(zhuǎn)運蛋白三維結(jié)構(gòu)及調(diào)控機制的了解。

擬南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1（AtPHO1/AtPHO1;H1）是SPX-EXS家族Pi轉(zhuǎn)運蛋白的典型代表，二者均參與無機磷向木質(zhì)部導(dǎo)管的裝載過程，以實現(xiàn)磷從根部到地上部分的運輸（圖1）。PHO1蛋白包含N端的胞質(zhì)側(cè)SPX結(jié)構(gòu)域和C端EXS跨膜結(jié)構(gòu)域，其中SPX結(jié)構(gòu)域作為Pi感受器，能夠與細胞內(nèi)高磷信號分子焦磷酸肌醇結(jié)合，從而調(diào)控磷外排活性。然而，人們對于PHO1蛋白如何介導(dǎo)Pi的外排以及焦磷酸肌醇的調(diào)控機制并不了解。

研究人員首先運用電生理技術(shù)驗證了六磷酸肌醇（InsP₆）對AtPHO1;H1外排Pi的激活作用（圖1a）。進而，通過異源表達純化AtPHO1;H1蛋白，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了AtPHO1;H1結(jié)合底物Pi及調(diào)控分子InsP₆、且處于通道關(guān)閉構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)（圖1b）。進一步的分子動力學(xué)模擬和AlphaFold預(yù)測獲得了AtPHO1;H1的開放構(gòu)象（圖1c）。分析發(fā)現(xiàn)，AtPHO1;H1以同源二聚體形式存在；其EXS結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)一種新的蛋白質(zhì)折疊方式，每個EXS結(jié)構(gòu)域都包含一個獨立的底物運輸通道（圖1c）。兩個關(guān)鍵的門控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物結(jié)合位點上方，調(diào)控通道的開放與關(guān)閉。結(jié)構(gòu)和生化分析結(jié)果表明，InsP₆結(jié)合于SPX結(jié)構(gòu)域的二聚體界面，發(fā)揮“分子膠水”的功能，促進SPX二聚化過程并顯著增強AtPHO1;H1的活性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)AtPHO1;H1的C端結(jié)合于EXS結(jié)構(gòu)域和SPX結(jié)構(gòu)域之間，對于維持AtPHO1;H1活性起關(guān)鍵作用。

基于結(jié)構(gòu)和功能分析，研究者發(fā)現(xiàn)AtPHO1;H1采用一種類似通道的機制介導(dǎo)Pi的外排，并通過感知磷酸肌醇水平來精準調(diào)控自身的轉(zhuǎn)運活性。據(jù)此研究者提出了AtPHO1;H1的工作與調(diào)控模型（圖2）：在低磷條件下，植物體缺少焦磷酸肌醇信號分子（高磷信號），AtPHO1;H1蛋白EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運通道被處于單體狀態(tài)的SPX結(jié)構(gòu)域阻擋，導(dǎo)致底物Pi無法進入轉(zhuǎn)運通道而處于失活狀態(tài)（圖2，左）；磷濃度的升高會促進焦磷酸肌醇信號分子的生成，并結(jié)合到AtPHO1;H1的SPX結(jié)構(gòu)域，后者發(fā)生構(gòu)象變化并二聚化，使得EXS結(jié)構(gòu)域的Pi轉(zhuǎn)運通道暴露出來（圖2，中）；Pi進入轉(zhuǎn)運通道并促使門控氨基酸（Tyr610/Trp719）及跨膜螺旋TM9發(fā)生構(gòu)象變化，轉(zhuǎn)運通道完全開放，從而實現(xiàn)Pi從高濃度向低濃度的轉(zhuǎn)運（圖2，右）。

該工作首次揭示了植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)與分子機制；同時鑒于PHO1與植物的光合作用效率相關(guān)聯(lián),該研究也為改造作物磷吸收水平和光合作用效率提供了重要的理論基礎(chǔ)。在本研究審稿期間，有研究團隊報道了哺乳動物中SPX-EXS家族磷轉(zhuǎn)運蛋白XPR1的結(jié)構(gòu)和調(diào)控機制: Nature（doi: 10.1038/s41586-024-07852-9）和Science（doi: 10.1126/science.adp3252）。這些研究與本研究共同揭示了SPX-EXS家族磷轉(zhuǎn)運蛋白可能擁有相似的轉(zhuǎn)運及調(diào)控機制。

分子植物卓越中心張鵬研究組的博士研究生方孫貞合、博士后楊陽和助理研究員張雪博士為該項工作的共同第一作者。張鵬和王永飛為該研究的共同通訊作者。本研究的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和蛋白樣品分析得到了中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心和分子植物卓越中心公共技術(shù)服務(wù)中心的支持和幫助。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院及上海市項目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01895-6

圖1. AtPHO1;H1的電生理分析、整體結(jié)構(gòu)和底物跨膜轉(zhuǎn)運通道

圖2. AtPHO1;H1的工作模型