向日葵永遠(yuǎn)向著太陽綻放它的“笑臉”，是什么原因使得它“向日傾”？答案是植物體內(nèi)的生長(zhǎng)素。如同人體內(nèi)生長(zhǎng)激素一樣，生長(zhǎng)素負(fù)責(zé)給細(xì)胞傳達(dá)信息，指揮植物的生長(zhǎng)發(fā)育。受光照影響，生長(zhǎng)素會(huì)從向日葵莖端向光側(cè)運(yùn)輸?shù)奖彻鈧?cè)，產(chǎn)生濃度差異。由此，背光側(cè)生長(zhǎng)會(huì)更快，而向光側(cè)慢一些，向日葵的花盤就朝著太陽的方向轉(zhuǎn)頭了。生長(zhǎng)素的運(yùn)輸需要細(xì)胞膜上的“搬運(yùn)工”——轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助，其中非常重要的一員是負(fù)責(zé)將生長(zhǎng)素從細(xì)胞內(nèi)搬運(yùn)到細(xì)胞外的外排蛋白PIN。
　　這些“搬運(yùn)工”是怎樣工作的呢？8月2日，《自然》雜志以“快速通道”形式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰教授團(tuán)隊(duì)在植物生長(zhǎng)機(jī)理上的重大進(jìn)展，題為“擬南芥PIN1蛋白識(shí)別和外排生長(zhǎng)素的結(jié)構(gòu)探究”。團(tuán)隊(duì)揭示了植物生長(zhǎng)素“搬運(yùn)工”成員PIN1蛋白，以及它分別與抑制劑NPA（又名抑草生）、生長(zhǎng)素IAA結(jié)合的三個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)，并通過功能分析闡釋了PIN1“搬運(yùn)”生長(zhǎng)素的機(jī)制，為理解植物生長(zhǎng)素運(yùn)輸調(diào)控以及針對(duì)PIN蛋白的農(nóng)業(yè)用除草劑和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。
　　作為第一種被發(fā)現(xiàn)的植物激素，生長(zhǎng)素幾乎參與了植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的每個(gè)過程，如胚胎發(fā)育、組織分化、向光性和向重力性生長(zhǎng)等。生長(zhǎng)素的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其細(xì)胞間傳遞具有方向性，被稱為極性運(yùn)輸，而PIN家族蛋白就在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。特定PIN家族成員在細(xì)胞質(zhì)膜上具有不對(duì)稱分布的特點(diǎn)，它們的分布位置決定了生長(zhǎng)素“搬運(yùn)”的方向。解析PIN蛋白的三維結(jié)構(gòu)對(duì)于我們理解生長(zhǎng)素的“搬運(yùn)”過程有極大的幫助，是生長(zhǎng)素研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題，同時(shí)也有助于我們針對(duì)PIN蛋白設(shè)計(jì)小分子抑制劑，找到更有效、更安全的農(nóng)用除草劑或植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。NPA是之前在實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用的一種生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸抑制劑，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最早作為除草劑應(yīng)用的化學(xué)小分子。生化證據(jù)表明，NPA可以直接靶向PIN蛋白，但是究竟是如何發(fā)揮作用的一直不清楚。
　　擬南芥PIN1是最早被鑒定的PIN家族成員之一，其基因突變導(dǎo)致植物產(chǎn)生裸露的針狀花序，該家族由此得名。本研究中，孫林峰團(tuán)隊(duì)針對(duì)PIN1這一經(jīng)典的PIN家族成員展開研究，搭建出一套全新的、基于放射性同位素的功能檢測(cè)體系，驗(yàn)證了PIN1蛋白的生長(zhǎng)素“搬運(yùn)”活性，以及受激酶激活、被NPA抑制的過程。這一實(shí)驗(yàn)體系利用更易培養(yǎng)、方便蛋白表達(dá)的哺乳動(dòng)物HEK293F細(xì)胞，操作也更容易進(jìn)行，為生長(zhǎng)素運(yùn)輸研究提供了一種新的手段。
　　為解決PIN1蛋白構(gòu)象不穩(wěn)定及分子量較小的問題，孫林峰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李典范團(tuán)隊(duì)合作，利用體外納米抗體合成技術(shù)，篩選得到了靶向PIN1蛋白的納米抗體，并利用冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)技術(shù)，成功解析了PIN1與一種納米抗體結(jié)合的、分辨率為3.0埃的結(jié)構(gòu)，首次揭示了經(jīng)典PIN家族蛋白成員的三維結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了PIN1與生長(zhǎng)素IAA、抑制劑NPA結(jié)合的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，揭示了PIN1蛋白“裝載”生長(zhǎng)素，以及NPA“鳩占鵲巢”阻止生長(zhǎng)素“搬運(yùn)”的全貌。
　　該研究揭開了植物經(jīng)典PIN家族蛋白的結(jié)構(gòu)面紗，系統(tǒng)闡釋了PIN1“搬運(yùn)”底物生長(zhǎng)素IAA以及被NPA抑制的分子機(jī)制，為我們深入理解植物生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸過程，認(rèn)識(shí)“葵花向日傾”等等奇妙的植物界現(xiàn)象的原理提供了重要幫助?；谶@些結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)特異性靶向PIN家族蛋白的小分子抑制劑，利用雜草和農(nóng)作物的生長(zhǎng)素濃度敏感性差異，甚至是它們PIN蛋白結(jié)構(gòu)的不同，設(shè)計(jì)出更高效、對(duì)環(huán)境更友好、對(duì)人類更安全的除草劑和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
　?。ㄔd于《光明日?qǐng)?bào)》 2022-08-04 08版）