8月15日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)張金儒團(tuán)隊(duì)、美國愛荷華州立大學(xué)Gwyn A. Beattie團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了題為Structure and mechanism of the osmoregulated choline transporter BetT的研究論文。該研究解析了與細(xì)菌滲透壓保護(hù)相關(guān)的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)制，為改造植物以提高葉綠體膽堿攝取能力及抗逆能力提供了借鑒。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。在逆境條件下，植物通過一系列策略來保護(hù)自身免受光抑制損傷。研究顯示，甜菜堿對于保護(hù)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，而引入甜菜堿合成相關(guān)基因可以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，需要將前體膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體內(nèi)，進(jìn)一步生成甜菜堿。研究顯示，細(xì)菌存在類似的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)和甜菜堿合成途徑，且生成的甜菜堿可以幫助細(xì)菌抵御外界滲透壓的變化。

該研究聚焦細(xì)菌中滲透壓調(diào)控的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)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，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，涉及陽離子-π相互作用。突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基影響BetT對膽堿的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，關(guān)于膽堿的質(zhì)子協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，研究通過功能實(shí)驗(yàn)找到潛在的質(zhì)子化位點(diǎn)D210。這與結(jié)構(gòu)上的發(fā)現(xiàn)吻合。

對于PsBetT的活性調(diào)控機(jī)制，研究人員根據(jù)結(jié)構(gòu)分析提出自抑制模型，并推測自抑制的活性調(diào)控機(jī)制涉及跨膜結(jié)構(gòu)域和C端結(jié)構(gòu)域之間的相互作用。功能實(shí)驗(yàn)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(yùn)活性，而C端結(jié)構(gòu)域截短體BetT_ΔCTD在低鹽條件下表現(xiàn)出較高的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)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表現(xiàn)出較高的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)活性。此外，自抑制機(jī)制依賴于BetT三聚體的形成。如果通過突變使BetT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。

上述成果揭示了BetT的膽堿識別機(jī)制以及滲透壓對其活性的調(diào)控機(jī)理，為探討同家族蛋白的活性調(diào)控機(jī)制提供了模板。同時，該研究為改造植物以提高光合作用效率提供了分子策略。

研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)以及中國科學(xué)院上海分院的支持。

論文鏈接

PsBetT的整體結(jié)構(gòu)以及底物識別與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制