近日，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室吳姍教授團(tuán)隊與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院郭江濤教授團(tuán)隊、楊帆教授團(tuán)隊合作，在國際重要學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表題為“Structures and mechanisms of the Arabidopsis auxin transporter PIN3”（擬南芥生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN3的結(jié)構(gòu)和機(jī)制）的研究論文。該研究報道了擬南芥PIN3（AtPIN3）在apo狀態(tài)、生長素吲哚乙酸IAA結(jié)合狀態(tài)和NPA結(jié)合狀態(tài)下的3個高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，為理解PIN介導(dǎo)生長素轉(zhuǎn)運(yùn)和NPA抑制生長素極性運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，進(jìn)而為靶向該轉(zhuǎn)運(yùn)體的創(chuàng)新農(nóng)藥研發(fā)打下基礎(chǔ)。這是湖北大學(xué)首次以通訊單位在Nature發(fā)表研究論文。

　　生長素是最重要的一類植物激素，對植物生長發(fā)育起核心調(diào)控作用。在種子植物中，生長素主要通過極性運(yùn)輸或者維管系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸。PIN家族蛋白介導(dǎo)生長素外排，是承擔(dān)植物體生長素極性運(yùn)輸?shù)淖钪匾�的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。PIN突變體會影響PIN極性定位和活性，從而導(dǎo)致生長素分布失衡。NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）是一種除草劑，也是生長素極性運(yùn)輸?shù)囊种苿�。長期以來，人們對PIN如何介導(dǎo)生長素的外排，以及NPA如何抑制生長素的極性運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制尚不清楚。研究人員通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了AtPIN3在apo狀態(tài)、NPA結(jié)合狀態(tài)以及IAA結(jié)合狀態(tài)下的高分辨率結(jié)構(gòu)。三個結(jié)構(gòu)類似，且均為向內(nèi)開放狀態(tài)。AtPIN3NPA和AtPIN3IAA復(fù)合物結(jié)構(gòu)清楚地揭示了NPA、IAA與AtPIN3的結(jié)合模式。NPA與IAA的結(jié)合模式類似，抑制劑NPA和底物IAA的結(jié)合位點重疊，揭示了NPA抑制生長素極性運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制：NPA作為競爭性抑制劑，直接占據(jù)生長素在PIN上的結(jié)合位點，并抑制了轉(zhuǎn)運(yùn)過程中PIN的潛在構(gòu)象變化。

　　隨后，為了進(jìn)一步驗證IAA和NPA在AtPIN3中的結(jié)合模式，研究人員對AtPIN3上與IAA和NPA有相互作用的殘基進(jìn)行了點突變，并在體外放射性3H-IAA轉(zhuǎn)運(yùn)實驗體系中檢驗其功能。此外，研究人員將野生型AtPIN3和突變體進(jìn)行表達(dá)純化，通過表面等離子體共振技術(shù)（SPR），測定了AtPIN3分別與IAA和NPA的解離常數(shù)（KD）。兩者實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了冷凍電鏡結(jié)構(gòu)中觀察到的IAA和NPA與AtPIN3的結(jié)合模式。本文系統(tǒng)性地解析了AtPIN3在apo狀態(tài)、底物（IAA）結(jié)合狀態(tài)以及抑制劑（NPA）結(jié)合狀態(tài)下的高分率結(jié)構(gòu)，揭示了AtPIN3的結(jié)構(gòu)、IAA識別機(jī)制及NPA抑制的分子機(jī)制，將有力促進(jìn)對PIN介導(dǎo)的生長素運(yùn)輸分子機(jī)制的理解（圖2）。

　　據(jù)悉，湖北大學(xué)與浙江大學(xué)為本文共同通訊單位，郭江濤教授、吳姍教授和楊帆教授為共同通訊作者，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后蘇楠楠、博士生竺愛琴和湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生陶鑫為共同第一作者，參與這項工作的還有湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馬立新教授等。

　　吳姍教授2019年初加入湖北大學(xué)，負(fù)責(zé)搭建湖北大學(xué)冷凍電鏡平臺。本文為湖北大學(xué)冷凍電鏡平臺2021年7月正式運(yùn)行以來第一篇在線發(fā)表的高水平文章。吳姍教授團(tuán)隊長期從事生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析與相關(guān)分子機(jī)制研究，在Nature、Science、Nature Structural&Molecular Biology、Nature Communications等國際知名期刊上發(fā)表多篇高水平文章。本研究工作受國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃等資助。