Molecular Plant | 邓兴旺团队迟程研究员与合作者揭示植物生长素转运蛋白AUX1的工作机制

2025年6月26日，北京大学现代农业研究院邓兴旺院士团队迟程研究员与中国科学院物理研究所姜道华团队、北京大学雷晓光团队合作在Molecular Plant 在线发表了题为"Structural basis of auxin recognition and transport in plant influx carrier AUX1" 的研究论文。该研究捕捉到了植物生长素关键内向转运蛋白AUX1处于内向开放和内向闭塞两种状态的高分辨率冷冻电镜结构，阐述了AUX1识别和转运底物的分子机制，对深入理解生长素调控植物生长发育机制具有重要意义。

生长素作为植物激素家族中最早被发现的成员，在植物种子萌发到果实成熟的整个生命历程中发挥着核心调控作用。生长素调控的关键在于其并非在植物体内随机扩散，而是表现出显著的极性运输特征。其极性运输的特性依赖于生长素内向转运蛋白和外向转运蛋白。AUX1作为主要的生长素内向转运蛋白，负责将天然和合成生长素摄取到细胞内。当AUX1发生功能缺失突变时，会严重破坏生长素的极性运输，引发根系的向重力性丧失，以及主根伸长受阻等一系列表型变化。然而，AUX1如何精准识别和转运生长素的机制尚不明确。

AUX1分子量仅为54 kDa，利用冷冻电镜解析此类小型膜蛋白具有一定挑战。研究者通过筛选不同截短体，成功获得了高质量的蛋白样品用于冷冻电镜结构分析，并解析了拟南芥AUX1以及AUX1结合生长素类似物2,4-D两种状态下的高分辨率冷冻电镜结构。结构分析表明，获得的电镜结构处于内向开放和内向闭塞两种构象（图1A）。AUX1由11根跨膜螺旋组成，前10根螺旋采用经典的LeuT折叠方式，TM11也发挥着重要的作用，与TM1、TM3和TM10共同作用稳定内开构象（图1B）。结合2,4-D的结构揭示了AUX1特异性识别生长素的精细结合位点和结合模式，氨基酸突变及功能实验验证了关键残基的重要性，这一发现为揭示生长素的识别机制提供了关键证据（图1C）。

图1. AUX1结构特征

深入探究AUX1结构特征，研究人员发现AUX1有一个潜在的阳离子结合位点，该位点在稳定AUX1内向构象方面发挥着重要作用。此外，结合2,4-D 结构的TM1和TM6螺旋发生明显的构象变化，特别是His249表现出显著的构象翻转，对其进行突变后，AUX1的转运活性完全丧失。表明His249在AUX1的门控过程中发挥关键作用（图2）。

图2. AUX1构象变化

基于以上结果，研究团队提出了AUX1转运生长素的模型。当AUX1处于外开构象时，His249和Asn142形成氢键作用，当细胞外生长素和质子进入中央腔后，His249发生质子化并破坏其与Asn142的相互作用，引发AUX1中TM1和TM6等关键结构域发生构象变化，从而导致AUX1从外开构象转换到内开构象，最终使得生长素和质子释放到细胞内，完成转运过程（图3）。

图3. AUX1转运模式图

此项研究成果不仅有助于我们更深入地理解植物激素的运输机制，还为开发基于生长素类似物的新型除草剂提供了关键的分子设计依据，在农业领域具有潜在的应用前景。

北京大学现代农业研究院邓兴旺院士、中国科学院物理研究所姜道华研究员和北京大学雷晓光教授为本论文的共同通讯作者。研究院访问学者、中国科学院物理研究所博士后陈慧文博士、北京大学范俊萍副研究员和邓兴旺院士团队蛋白质结构与功能组迟程研究员为论文共同第一作者。中国科学院物理所武迪博士、生物微观结构研究平台赵珺研究员、徐斌高级工程师也为本研究做出重要贡献。北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室为论文第一单位。

本研究由山东省自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重点研发计划、国家自然科学基金以及山东省泰山学者青年专家项目和新基石科学基金会的资助。

值得一提的是，2025年5月15日，中国科学技术大学孙林峰团队、刘欣团队联合谭树堂团队在Cell 杂志发布了题为"Structural insights into auxin influx mediated by the Arabidopsis AUX1" 的研究论文，该工作首次报道了AUX1的三维结构，阐明了该蛋白依赖于质子梯度向胞内运输生长素的分子机制。尽管采用了不同的蛋白质构建策略，两项研究所展示的AUX1结构、生长素结合模式、His249作为潜在的质子化位点和转运模式基本一致。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205225002084