新研究研究揭示擬南芥NO3-轉運蛋白CLCa的調控機制

近期，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表了中國科學院分子植物科學**創新中心張鵬研究組合作完成的題為Molecular mechanism underlying regulation of Arabidopsis CLCa transporter by nucleotides and phospholipids的研究成果，揭示了核苷酸和磷脂調控擬南芥硝酸根轉運蛋白CLCa的分子機制。

CLC（Cl- channel）蛋白普遍存在于生命體中。在哺乳動物中，CLC蛋白分為定位在細胞質膜上的Cl-通道以及定位在內膜系統的Cl-/H+逆向轉運蛋白。在模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana，At）及其他植物中，CLC蛋白（CLCa-g）均定位于內膜系統。其中，CLCa轉運蛋白定位于液泡膜，負責將胞質中過多的NO3-轉運進入液泡。近年來的研究發現，真核生物CLC的活性受到核苷酸和磷脂的調控。ATP和AMP可以差異性調控AtCLCa的轉運活性，從而根據光合效率調控葉肉細胞中的NO3-進入液泡； PI(3,5)P2則可以抑制AtCLCa的轉運活性，從而調控ABA誘導的保衛細胞液泡酸化和氣孔關閉。然而，關于核苷酸和磷脂調控CLC轉運活性的分子機制并不清楚。

本研究以擬南芥CLCa蛋白為研究對象，通過異源表達并純化CLCa蛋白，將其重組為納米磷脂盤（nanodiscs）以模擬其在生物膜中的天然狀態，并分別解析了CLCa結合底物NO3-和Cl-的單顆粒冷凍電鏡三維結構。CLCa形成同源二聚體，結合NO3-的CLCa結構的陰離子轉運通道處于開放狀態，而結合Cl-的CLCa結構的孔道在膜兩側都處于關閉狀態。兩個CLCa結構均結合了ATP和PI(4,5)P2分子。結構和電生理分析揭示了ATP的結合會穩定一個之前未被發現的N端β發夾結構，使其堵塞陰離子轉運通道，因此抑制了CLCa的轉運活性。而AMP由于缺乏穩定β發夾結構所需的β/γ磷酸基團而失去抑制能力，因而可以與ATP競爭性結合CLCa從而釋放其轉運活性。該工作很好地解釋了CLCa如何通過感知不同光合效率下葉肉細胞的能量狀態（ATP/AMP比例）來調節NO3-向液泡中的轉運，從而維持碳氮平衡（圖1a）。PI(4,5)P2或PI(3,5)P2分子可以結合在CLCa的二聚體交界面上，其肌醇頭部占據了附近的質子轉運通道的細胞質側出口，可能因此抑制了CLCa的轉運活性。這有助于理解生理狀況下PI(3,5)P2如何通過抑制CLCa的轉運活性，從而促進ABA誘導的保衛細胞液泡酸化和氣孔關閉（圖1b）。序列分析顯示核苷酸和磷脂的調控機制在植物液泡膜定位的CLC蛋白中可能都是保守的。

本研究揭示了核苷酸和磷脂在特定生理場景下調控擬南芥CLCa活性的分子機制，為未來改造植物CLC蛋白進而調控碳氮平衡以及提高水分利用效率奠定了重要的分子基礎。此外，研究提示類似的機制可能也存在于其他真核生物CLC蛋白中。

冷凍電鏡數據收集和樣品分析得到了復旦大學、中國科學院生物與化學交叉研究中心和分子植物**創新中心公共技術服務中心的幫助。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項的支持。該研究由分子植物**中心和復旦大學合作完成。

本網站所有轉載文章系出于傳遞更多信息之目的，轉載內容不代表本站立場。不希望被轉載的媒體或個人可與我們聯系，我們將立即進行刪除處理。