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2024年11月4日，国际学术期刊Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组完成的题为“Cryo-EM structure and molecular mechanism of the jasmonic acid transporter ABCG16”的研究论文，揭示了ABC（ATP-binding cassette）家族转运蛋白ABCG16特异识别和跨膜转运植物激素茉莉酸的分子机制。
研究背景
作为重要的植物激素，茉莉酸（jasmonic acid，JA）不仅在植物对生物及非生物胁迫的防御反应中发挥着关键作用，还参与调节植物的生长发育。JA是一种脂肪酸衍生物，其合成起始于植物叶绿体，并在过氧化物酶体、液泡等细胞器中完成合成、修饰与代谢，最终被运输到细胞核发挥生理作用。跨膜转运蛋白在JA及其前体和衍生物的跨膜运输过程中发挥了关键作用（图1）。在拟南芥中，ABCG16/JAT1是质膜及核膜定位的ABC家族转运蛋白，研究显示AtABCG16可以介导JA的跨膜转运1，同时有研究发现AtABCG16也可以参与脱落酸（abscisic acid，ABA）的跨膜转运2。简而言之，人们对于JA在跨膜运输过程中如何被转运蛋白特异识别及转运的分子过程并不了解。
图1. 转运蛋白介导的细胞内及细胞间JAs运输3
研究内容
本项研究中，科研人员利用非洲爪蟾卵母细胞转运体系检测了AtABCG16可以介导JA的外向转运，但是并不转运ABA。通过异源表达、纯化蛋白并结合不同的ATP类似物，科研人员在体外重构了AtABCG16跨膜转运过程的不同状态，并利用单颗粒冷冻电镜技术解析了AtABCG16处于不同构象状态的三维结构，包括朝向细胞内的apo构象（AtABCG16inward-apo）、结合底物JA的构象（AtABCG16inward-JA）、封闭构象（AtABCG16occluded）以及朝向细胞外的后转运构象（AtABCG16outward）（图2）。
图2. AtABCG16处于不同构象的三维结构
结构分析揭示了AtABCG16的同源二聚体结构、JA的结合位点和决定底物特异性结合的关键氨基酸（图3），并利用非洲爪蟾卵母细胞转运体系和拟南芥胁迫处理实验证实了这些氨基酸在JA结合与转运中的作用。进一步的分析发现AtABCG16的底物结合口袋无法容纳ABA的结合，从而解释了其为何不能介导ABA的转运。
图3. AtABC16特异性结合JA
研究人员通过比较AtABCG16的不同构象，发现其在胞质侧具有两个独立的底物入口，分别通往各自的底物结合口袋，并与二聚体组成的跨膜转运通道相连。两个芳香族氨基酸Y494与F608分别位于底物入口和跨膜转运通道中，分别控制了二者的开闭（图4）。这一独特的结构特征决定了AtABCG16转运蛋白的跨膜转运机制与已知的ABC转运蛋白有明显不同。基于结构和生化分析，研究人员提出了AtABCG16介导的JA跨膜转运的工作模型。
该项研究不仅揭示了AtABCG16特异识别并跨膜转运JA的分子机理，解决了AtABCG16在转运底物上的争议，而且丰富了ABC转运蛋白的跨膜转运机制。
图4. ABCG16跨膜转运JA的分子过程模型
相关信息
分子植物卓越中心张鹏研究组博士研究生安宁、2023年毕业研究生黄小伟博士为论文的共同一作，张鹏研究员与张雪博士（助理研究员）共同指导了该项研究工作。分子植物卓越中心王永飞研究组在非洲爪蟾卵母细胞转运实验中给予了大力协助。冷冻电镜数据收集和蛋白/底物样品分析得到了复旦大学、中国科学院生物与化学交叉研究中心、山东大学和分子植物卓越中心公共技术服务中心的支持和帮助。本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导项目的资助。
张鹏研究组合影
参考文献：
1. Li, Q. Q. et al. Transporter-mediated nuclear entry of jasmonoyl-isoleucine is essential for jasmonate signaling. Mol.Plant 10, 695-708 (2017).
2. Zhou, Y., Wang, Y., Zhang, D. & Liang, J. Endomembrane-biased dimerization of ABCG16 and ABCG25 transporters determines their substrate selectivity in ABA-regulated plant growth and stress responses. Mol. Plant 17, 478-495 (2024).
3. Li, M. Y., Yu, G. H., Cao, C. L. & Liu, P. Metabolism, signaling, and transport of jasmonates. Plant Commun. 2, 100231 (2021).
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