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科学家揭开植物经典PIN家族蛋白结构面纱 |
| 功夫：2022-08-02 起源：中国科学报 |
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向日葵为什么总是向着太阳 ？在植物体内有一种称为成长素的物质，如同人体内成长激素一样，它掌管给细胞通报信息，指挥植物的成长发育。受光照影响，成长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧，产生浓度差距。由此，背光侧成长会更快一些，而向光侧慢一些，向日葵的花盘天然就朝向太阳。 成长素的运输必要细胞膜上的“搬运工”——转运蛋白的协助，其中极度沉要的一员是掌管将成长素从细胞内搬运到细胞表的PIN家族蛋白。这些“搬运工”长什么样 ？又是若何工作 ？ 8月2日，《天然》杂志上以“急剧通路”大局颁发了中国科学技术大学性命科学与医学部孙林峰教授团队在植物成长机理上的沉猛进展，揭示了成长素“搬运工”成员PIN1蛋白，以及它别离与抑造剂NPA（别名抑草生）、成长素IAA结合的三个高分辨率结构，并通过职能分析阐释了PIN1“搬运”成长素的机造，为理解植物成长素运输调控以及针对PIN家族蛋白的农业用除草剂和成长调节剂的设计开发提供了沉要基础。
拟南芥PIN1蛋白三种状态下的结构和转运机造示意图?课题组供图
中国科大性命科学与医学部孙林峰教授团队部门成员合影 代蕊 摄 亟待解决的科学问题 作为第一个被发现的植物激素，成长素险些参加了植物成长发育调控的每个过程，如胚胎发育、向光性和向沉力性成长等。成长素一个显著特点是其细胞间传递拥有方向性，被称为极性运输，而PIN家族蛋白在其中阐扬了关键作用。 特定PIN家族成员在细胞质膜上拥有不合称散布的特点，它们的散布地位决定了成长素“搬运”的方向。但是由于不足精密的三维结构，PIN家族蛋白特异性鉴别、转运成长素的机造一向未知。 NPA是之前在尝试室宽泛利用的一种成长素极性运输抑造剂，也是农业出产中最早作为除草剂利用的化学幼分子之一。它能够直接靶向PIN家族蛋白，但是若何阐扬作用的机造尚不明显。
孙林峰教授在尝试室 代蕊 摄 孙林峰暗示，解析PIN家族蛋白的三维结构是成长素钻研领域亟待解决的科学问题。该结构的揭示，不仅有助于理解成长素的“搬运”过程，同时基于这些结构，有利于钻研人怨仉对PIN家族蛋白设计幼分子抑造剂，找到更高效、对环境更敦睦、对人类更安全的除草剂和成长调节剂，利用于农业出产。 这次钻研中，孙林峰团队选择了PIN家族中经典的，也是最早鉴定出的PIN家族成员之一——拟南芥PIN1蛋白作为钻研对象。 成功揭示PIN1蛋白结构 “第一步，我们必要证实PIN1蛋白的确能够运输成长素。”孙林峰说，团队花了一年多功夫，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的职能检测系统，验证了PIN1蛋白的成长素“搬运”活性，以及受激酶激活、被NPA抑造的过程。 第二步，表白和纯化PIN1蛋白。“单一来说，就是必要获取足量的适于结构解析的蛋白样品。”孙林峰说，这是最难的一步，由于PIN1蛋白在植物体内含量极度低，不能满足尝试过程中钻研量的需要，因而必要借助于其他细胞表白系统，对蛋白进行富集。
孙林峰教授在领导团队 代蕊 摄 事实上，从2017年成立起团队，起头这项课题钻研，一向到2021年，前四年的功夫里，他们一向在摸索分歧表白和纯化、冷冻样品造备等前提。 “其时，我们每天很早就到了尝试室，起头一天的工作。我们但愿早点优化得到性质较好的蛋白，加快尝试进度，所以时时忙的连水都顾不上喝。”论文第一作者、中国科大性命科学与医学部博士钻研生杨智森说，最终利用哺乳动物表白系统成功获得了优质样品。 第三步，利用冷冻电镜单颗粒沉构技术解析蛋白结构。“冷冻电镜相当于蛋白分子的‘摄影师’，能够从分歧角度给蛋白‘拍照’，而后利用这些二维照片沉构出三维结构”，孙林峰作了一个类比。 “冷冻电镜数据网络借助了中国科大冷冻电镜中心和中科院生物物理所生物成像中心提供的优良平台，其中中国科大冷冻电镜中心的300kV高端电镜是2019年起头装置，2020年正式投入运行，为我们结构钻研提供了‘利器’”，孙林峰说路。 但是PIN1蛋白“不不变”，并且分子量较幼。若何使它们“变大”并维持一种相对静止的状态 ？团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李范例团队合作，筛选得到了靶向PIN1蛋白的纳米抗体，并初次揭示了经典PIN家族蛋白成员的三维结构。 一轮审稿人“祝贺”团队 在这项钻研中，团队又进一步解析出了PIN1与成长素IAA、抑造剂NPA结合的复合体结构，揭示了PIN1蛋白若何“装载”成长素，以及NPA“鸠占鹊巢”阻造成长素“搬运”的全貌。 在以上钻研的基础上，团队利用搭建的职能检测系统，验证了结构上发现的一些沉要氨基酸位点阐扬的作用，并提出了PIN家族蛋白运输成长素的模型。
孙林峰教授和高永翔工程师在300kV电镜上样间转移样品 代蕊 摄 从2017年团队成立并起头这项课题钻研到2022年在《天然》杂志上颁发论文，整五年的功夫从前了。“这期间，我们经过了无数次失败的尝试，好在学生和我们都没有烧毁。”孙林峰说。 相迸宗钻研过程，论文投稿还算比力顺利。“今年1月份我们向《天然》杂志投稿，2月份就收到第一略炖鉴定见。”孙林峰说，这个快率在投稿中算比力快，并且评审人都赐与了正面的评价。 第一位审稿人评价：“我们应该祝贺作者们获得这一系列PIN1蛋白的沉要结构。在植物生理学领域，成长素运输的沉要性不言而喻，作者们获得的这一系列结构对于我们理解成长素IAA若何被PIN鉴别和转运做出了沉要贡献”。 第二位审稿人评价：“这一钻研是开创性的发现，是从事成长素运输钻研的同仁们翘首以盼的成就”。 遵循审稿人定见，6月份团队又投回了批改版本；再经过一轮“精雕细琢”后，7月25日被《天然》正式接管。 孙林峰暗示，下一步，团队将持续钻研PIN1蛋白的动态转运过程，捉拿分歧状态下的三维结构，并进一步钻研PIN1蛋白受磷酸化激活及调控的机理，更深刻的理解PIN家族蛋白运输成长素的机造。同时，基于三维结构设计、筛选化学幼分子，力争发现更安全有效的除草剂或植物成长调节剂，更好地服务农业出产。 有关论文信息：?https://www.nature.com/articles/s41586-022-05143-9 |
