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滿堂彩郭江濤/楊巍/鄭紹建課題組合作解析鋁離子激活陰離子通道ALMT1轉運蘋果酸的分子機制

來源 :基礎醫學(xue)系    發布時間 :2021-11-19    瀏覽次數 :332

全世界約有(you)30-40%的可耕地和(he)50%的潛在可(ke)耕地屬于酸(suan)性土壤(rang)[1],鋁離(li)子毒害是該類(lei)土壤(rang)中限制作(zuo)物(wu)生產(chan)的主要因素[2]。在長期適應過(guo)程中(zhong),植物進(jin)化(hua)出了(le)多種鋁機制。其中,植物(wu)通過根尖(jian)細胞向外分泌蘋果酸等有機酸螯合根際土壤(rang)溶(rong)液的(de)鋁離子,從(cong)而消(xiao)除其毒(du)性是(shi)植物抵御鋁毒的主要(yao)途(tu)徑[2,3]2004研究者就(jiu)發現植物(wu)根細胞中(zhong)鋁激活的蘋果酸分泌是由(you)蘋(pin)果酸轉(zhuan)運蛋白(bai)(Aluminum-activated Malate TransporterALMT1)介(jie)導[4]后,研究者證實了(le)在小麥、擬南芥、油菜、大豆、黑麥等多種植(zhi)物中該(gai)機制具有保守(shou)性。但是,長期以來人們對于鋁(lv)離子如何激(ji)活ALMT1轉運蘋果酸仍不得而(er)知。

20211119日,滿堂彩郭(guo)江濤楊巍(wei)鄭紹建三個課(ke)題組組成的合作團隊Cell Research上(shang)在線發(fa)表題(ti)為Structural Basis of ALMT1-Mediated Aluminum Resistance in Arabidopsis的研究論(lun)文,解析了擬南芥ALMT1通道蛋白(AtALMT1)多種狀態下的三維結構,結合電生理(li)實驗、分子(zi)動力學模(mo)擬和擬南芥(jie)體內實驗,闡明了AtALMT1介導(dao)的(de)鋁激(ji)活蘋(pin)果(guo)酸轉運的(de)分子機理。

該研究表明(ming),AtALMT1結(jie)構是(shi)一個新型的陰離子通道結(jie)構。AtALMT1以(yi)二聚(ju)體(ti)形式組裝(zhuang)成一個陰離(li)子通道,每個亞基包含6個跨膜螺旋(TM1-6和6個細胞質側的(de)螺旋(H1-H6)。來自(zi)兩(liang)個(ge)亞基的(de)十(shi)二個(ge)跨膜螺旋(xuan)組裝成離子(zi)通透孔道(dao)(圖1


圖(tu)1 AtALMT1的結構。AAtALMT1的(de)冷凍(dong)電鏡(jing)三維重構(左)和卡(ka)通(tong)模型(右)的(de)側(ce)視圖(tu)(上)和俯視圖(tu)(下)。BAtALMT1單(dan)個亞(ya)基的側視(shi)圖。CAtALMT1的拓撲結構(gou)。

在蘋果酸結合的AtALMT1結構中(zhong),研究人(ren)員觀察到蘋果酸位于AtALMT1的離子通(tong)透孔(kong)道中間(jian),與兩對精氨(an)酸殘基(Arg80和Arg165)相(xiang)互作用(圖2A2B。研(yan)究人員通過分子動力學模擬(ni)和電(dian)生(sheng)(sheng)理實驗(yan)(yan)(yan)驗(yan)(yan)(yan)證了(le)這(zhe)一蘋果酸(suan)(suan)結合位點。在電(dian)生(sheng)(sheng)理實驗(yan)(yan)(yan)中,這(zhe)兩(liang)個關鍵精氨酸(suan)(suan)的突變都能顯著影響(xiang)AtALMT1對蘋果酸(suan)的通透,其中Arg165突變使AtALMT1完全喪失蘋果酸傳導(dao)的功能(圖2C)。

在鋁離子結合的(de)AtALMT1結(jie)構(gou)當中(zhong),研究人員發現鋁離子(zi)主要結(jie)合在(zai)AtALMT1的細胞外側(ce),由(you)TM1-2 loopTM6上的三個帶負電的氨基酸殘基配位(Asp40Glu156Asp160(圖(tu)2D2E。電(dian)生理實驗表明(ming),這(zhe)三個位點氨基酸(suan)的突變會顯著降低AtALMT1介導的鋁(lv)激活的蘋(pin)果酸的通透(圖2)。



圖(tu)2 AtALMT1中蘋(pin)果酸和細胞(bao)外側鋁(lv)離子的結合位點(dian)。A,離子(zi)通(tong)透孔(kong)道中(zhong)的一對保守的精氨酸Arg80和Arg165B,蘋果酸與兩對精(jing)氨酸相互作用。C,精氨酸Arg80和Arg165突(tu)變顯著(zhu)降低AtALMT1對(dui)蘋(pin)果酸的通透DAtALMT1中(zhong)細胞外側鋁(lv)離(li)子的結合位點E,鋁離(li)子(zi)與周圍的酸(suan)性氨基(ji)酸(suan)Asp40Glu156Asp160相互作(zuo)用(yong)。FAsp40Glu156Asp160突變顯著降低AtALMT1介(jie)導的(de)鋁激活的(de)蘋果酸的(de)通(tong)透(tou)

為驗證AtALMT1中蘋果酸(suan)(suan)和鋁(lv)離子結合位點(dian)的(de)氨基酸(suan)(suan)的(de)作(zuo)用,研究人員培育了這些氨基酸(suan)(suan)突(tu)變(bian)的(de)擬南芥轉基因株系(xi)(xi)。發現在(zai)沒有鋁(lv)離子的(de)情況下,突(tu)變(bian)系(xi)(xi)表現出(chu)(chu)與(yu)(yu)野生(sheng)型相似的(de)根(gen)生(sheng)長和蘋果酸(suan)(suan)分泌;在(zai)鋁(lv)離子處理(li)后,突(tu)變(bian)系(xi)(xi)表現出(chu)(chu)顯著降低(di)的(de)根(gen)生(sheng)長和蘋果酸(suan)(suan)分泌,表現出(chu)(chu)與(yu)(yu)功能缺失突(tu)變(bian)體almt1相似的表型(圖3。因此,這(zhe)些體內實驗進一步確認(ren)了(le)蘋果酸和鋁離子結合位點的氨基酸在鋁激活蘋果酸轉運(yun)中的重要作用(yong)。


3 擬(ni)南(nan)芥體內驗(yan)證AtALMT1中(zhong)蘋果酸和鋁離子結合位點的氨基酸的作(zuo)用。A-B,野生(sheng)型、AtALMT1缺失(shi)突(tu)變(bian)株(zhu)almt1、蘋果酸結(jie)合(he)位點精氨酸突變(bian)株R80AR165A的根系生長(A)和蘋(pin)果酸分泌(B)。C-D,野生型、AtALMT1缺失突變株almt1、鋁離子結合位點突(tu)變株E165AD160A的根系生長(C)和(he)蘋果酸分泌(D)。

未(wei)結合鋁離子(zi)的(de)AtALMT1處于關閉狀態,結合鋁離子(zi)的(de)AtALMT1通道處于(yu)開(kai)放狀(zhuang)態(tai)。通過比較關(guan)閉狀(zhuang)態(tai)和(he)開(kai)放狀(zhuang)態(tai)的(de)AtALMT1的結構,研(yan)究人員提出了鋁離子(zi)激活(huo)AtALMT1的分子機制(zhi)。在(zai)酸性條(tiao)件下,鋁(lv)離子結合在(zai)AtALMT1的胞外(wai)側TM1-2 loopTM6之間,與(yu)三個(ge)酸(suan)性(xing)殘基(Asp40Glu156Asp160)配(pei)位(wei),引起TM1-2 loopTM5-6 loop構(gou)象變化,從而導致Ile53殘基(ji)向外運動,引起孔道開放(圖4)。


4 細胞(bao)外(wai)側鋁(lv)離(li)子激活AtALMT1A,未結(jie)合(he)鋁(lv)離子(藍色)和(he)結(jie)合(he)鋁(lv)離子(綠色)的AtALMT1的結構比較(jiao)俯視(shi)圖。B,未結合鋁離子的AtALMT1的離子(zi)通透路徑。C,結合鋁離子的AtALMT1的(de)離子通透路徑。

上述(shu)研究解析(xi)了AtALMT1多種狀(zhuang)態下的三維結構(gou),完美詮釋AtALMT1介導的鋁激活蘋果(guo)酸轉運的分子機理(圖5),為基(ji)于蛋白結(jie)構設計ALMT1功能獲得性(xing)突變體以增強作物根系(xi)鋁激(ji)活蘋果酸分泌,進(jin)而(er)培育耐鋁作物(wu)提高酸(suan)性土壤的(de)生產力提供理(li)論指(zhi)導。


5 鋁激活AtALMT1轉運蘋果酸的(de)分子機理。

郭(guo)江濤課題組博士(shi)生王江勤、楊(yang)巍課題組余夏(xia)飛博士(shi)、鄭(zheng)紹建課題組丁忠杰研(yan)究(jiu)員和中科院深圳先進(jin)技(ji)術研(yan)究(jiu)員的(de)張(zhang)小康研(yan)究(jiu)員為論(lun)文的(de)共同(tong)第一作(zuo)者。郭(guo)江濤楊巍和(he)鄭紹(shao)建為共同通(tong)訊作者(zhe)。本研(yan)究(jiu)還(huan)得到了中(zhong)國海洋大學徐(xu)錫明(ming)副研(yan)究(jiu)員的支持。本研(yan)究(jiu)受科技部重點研(yan)發計(ji)劃、自然科學基(ji)金委、浙江省杰(jie)青等項目的資助。

原文鏈接:http://www.nature.com/articles/s41422-021-00587-6

參考文獻:

[1]   Uexküll, H. & Mutert, E. Global extent, development and economic impact of acid soils. Plant Soil. 171, 1-15 (1995).

[2] Kochian, L. V. P., M. A. Liu, J. Magalhaes, J. V. Plant Adaptation to Acid Soils: The Molecular Basis for Crop Aluminum Resistance. Annu. Rev. Plant Biol. 66, 571-598 (2015).

[3] Sasaki, T., Yamamoto, Y. et al. A wheat gene encoding an aluminum-activated malate transporter. Plant J. 37, 645-653 (2004).

[4] Tashiro, M., Furihata, K., Fujimoto, T., Machinami, T. and Yoshimura, E. Characterization of the malate-aluminum (III) complex using 1H and 27Al NMR spectroscopy. Magn. Reson. Chem. 45, 518-521 (2007).