SpHMA1氮端组氨酸富集基序调控镉转运的功能机制及其在植物重金属解毒中的意义

本研究发现超富集植物东南景天中重金属ATP酶SpHMA1通过氮端组氨酸富集结构域（His-rich motifs）调控镉（Cd2+）的选择性转运。研究通过酵母异源表达系统证实SpHMA1Δ2–80突变体显著增强Cd积累并导致金属敏感性上升，而完全缺失该结构域（SpHMA1Δ2–107）则恢复表型至空载体水平，表明双组氨酸基序在重金属稳态中具有功能分化，为植物重金属解毒（detoxification）和植物修复（phytoremediation）提供分子机制见解。

　　

Highlight

N–terminal histidine–rich architectural features of SpHMA1

SpHMA1的序列分析显示其氮端具备双重结构特征：一个预测的叶绿体转运肽（Met¹–Arg⁴⁶）和一个扩展的组氨酸富集区域，该区域包含两个截然不同的金属结合模体，位于第一个跨膜结构域的上游（图1A）。近端的Poly–His模体（His⁶⁶–His⁸⁰）具有高密度组氨酸簇，包括两个保守的HHH簇，形成一个紧凑的金属配位域，非常适合高亲和力结合。相比之下，远端的His/Glu模体表现出组氨酸和谷氨酸残基的交替模式，可能支持动态金属结合与释放，从而调节转运过程。

Discussion

镉（Cd）作为一种有毒重金属，会与钙（Ca）、铁（Fe）、锌（Zn）等必需矿物质竞争转运蛋白上的结合位点。东南景天（Sedum plumbizincicola）因其高镉积累能力而被誉为植物修复潜力物种，因此探究其镉积累机制成为研究热点。在植物中，P₁B型亚家族的重金属ATP酶（HMA）在重金属离子跨膜转运中发挥核心作用。本研究通过酵母功能互补实验系统解析了SpHMA1氮端组氨酸富集区的功能分化。我们发现，缺失第一个80个氨基酸（SpHMA1Δ2–80）导致酵母细胞内镉积累显著上升且金属敏感性增强，而完全删除组氨酸富集结构域（SpHMA1Δ2–107）则使表型恢复至空载体对照水平。这些结果说明，氮端His富集区域（特别是46–80位残基）作为一个功能模块，通过防止毒性金属滞留或促进有效金属外排来调控SpHMA1的转运活性。本研究不仅深化了对超富集植物HMA1分子机制的理解，也为利用蛋白质工程手段优化植物修复策略提供了新方向。

Conclusion

SpHMA1作为Cd/Zn/Cu转运蛋白，其氮端结构域对金属外排活性具有关键调控作用。组氨酸富集区域（特别是46–80位残基）作为一个功能模块，可能通过促进金属从细胞区室中外排而防止毒性金属滞留。我们的研究从机制上揭示了超富集植物如何优化HMA1功能以实现镉解毒，并表明通过工程化改造氮端结构域有望增强植物修复效率。