研究揭示植物激素茉莉酸跨膜转运分子机制

《自然-植物》（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。该研究揭示了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。

作为植物激素，茉莉酸在植物对生物及非生物胁迫的防御反应中发挥作用，参与调节植物的生长发育。茉莉酸合成起始于植物叶绿体，在过氧化物酶体、液泡等细胞器中完成合成、修饰与代谢，进而被运输到细胞核以发挥生理作用。而跨膜转运蛋白在茉莉酸及前体和衍生物的跨膜运输过程中发挥作用。在拟南芥中，ABCG16/JAT1是质膜及核膜定位的ABC家族转运蛋白。有研究发现AtABCG16可以介导茉莉酸的跨膜转运，亦有研究显示AtABCG16可以参与脱落酸的跨膜转运。然而，关于茉莉酸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尚不明晰。

该研究利用非洲爪蟾卵母细胞转运体系检测发现，AtABCG16可以介导茉莉酸的外向转运，但不转运脱落酸。通过异源表达、纯化蛋白并结合不同的ATP类似物，研究在体外重构了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、结合底物茉莉酸的构象、封闭构象及朝向细胞外的后转运构象。

三维结构分析揭示了AtABCG16的同源二聚体结构、茉莉酸的结合位点以及决定底物特异性结合的关键氨基酸。同时，研究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氨基酸在茉莉酸结合与转运中的作用。进一步，研究分析发现了AtABCG16的底物结合口袋无法容纳脱落酸的结合，进而明晰了AtABCG16无法介导脱落酸转运的原因。

该研究通过比较AtABCG16的不同构象发现，AtABCG16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。同时，两个芳香族氨基酸Y494与F608位于底物入口和跨膜转运通道中，分别控制二者的开闭。这一结构特征决定了AtABCG16转运蛋白的跨膜转运机制与已知的ABC转运蛋白不同。基于结构和生化分析，研究提出了AtABCG16介导的茉莉酸跨膜转运的工作模型。

该研究揭示了AtABCG16特异识别并跨膜转运茉莉酸的分子机理，解释了AtABCG16在转运底物上的争议，并丰富了ABC转运蛋白的跨膜转运机制。

研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。

ABCG16跨膜转运茉莉酸的分子过程模型