2024年8月15日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與復(fù)旦大學(xué)張金儒團(tuán)隊(duì)、美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)Gwyn A. Beattie團(tuán)隊(duì)合作，于Science Advances雜志發(fā)表了題為“Structure and mechanism of the osmoregulated choline transporter BetT”的研究論文，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(shí)別膽堿的分子基礎(chǔ)以及活性調(diào)控的自抑制機(jī)制，為改造植物提高葉綠體膽堿攝取能力以及抗逆能力提供了重要借鑒。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。在逆境條件下，植物通過(guò)一系列的策略保護(hù)自身免受光抑制損傷。大量研究表明甜菜堿對(duì)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,在多種植物和農(nóng)作物中的研究表明引入甜菜堿合成相關(guān)基因可以有效地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，需要首先將前體膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體內(nèi)，進(jìn)一步生成甜菜堿。研究表明細(xì)菌中也存在類似的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)和甜菜堿合成途徑，生成的甜菜堿可以幫助細(xì)菌抵御外界滲透壓的變化，比如高鹽環(huán)境。

本研究聚焦細(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(lái)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，并形成domain-swapped的三聚體，其中每個(gè)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(gè)高度保守的色氨酸形成的特殊口袋中，主要涉及陽(yáng)離子-π相互作用。突變結(jié)合口袋的相關(guān)氨基酸殘基嚴(yán)重影響BetT對(duì)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，作者通過(guò)功能實(shí)驗(yàn)找到了潛在的質(zhì)子化位點(diǎn)D210，這一結(jié)果與結(jié)構(gòu)上的發(fā)現(xiàn)相吻合 (圖1)。

對(duì)于PsBetT的活性調(diào)控機(jī)制，作者根據(jù)結(jié)構(gòu)分析提出了自抑制模型，并推測(cè)自抑制的活性調(diào)控機(jī)制涉及到跨膜結(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在低鹽條件下就表現(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就表現(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(guò)突變使其解聚成單體，則其單體在低鹽條件下即可表現(xiàn)出較高的活性（圖2）。

上述工作揭示了BetT的膽堿識(shí)別機(jī)制以及滲透壓對(duì)其活性的調(diào)控機(jī)理，為理解同家族蛋白的活性調(diào)控機(jī)制提供了模板。此外，由于下游產(chǎn)物甜菜堿對(duì)植物抵御光抑制損傷具有重要的保護(hù)作用，該研究也為改造植物提高光合作用效率提供了重要的分子策略。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究生楊天驕、博士后年宇薇、助理研究員林華建和武漢大學(xué)博士生李靜為該論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究員，復(fù)旦大學(xué)張金儒研究員及愛(ài)荷華州立大學(xué)Gwyn A. Beattie教授為共同通訊作者。武漢大學(xué)王隆飛教授，復(fù)旦大學(xué)碩士生林湘及中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心科研助理李天明、王睿瑛也參與了該研究。感謝中山大學(xué)劉建忠教授和華南理工大學(xué)羅立新教授提供大腸桿菌MKH13菌株。該研究得到中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)和中國(guó)科學(xué)院上海分院的大力支持和資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6229

圖1 PsBetT的整體結(jié)構(gòu)以及底物識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

圖2 PsBetT活性調(diào)控的自抑制機(jī)制