植物生长素输入载体AUX1的结构基础揭示生长素识别与转运机制

为解决植物生长素极性运输中AUX1介导的输入机制不明问题，研究人员通过冷冻电镜解析了拟南芥AUX1的apo和2,4-D结合态结构，揭示了生长素类似物的识别位点、质子偶联转运的关键残基His249及构象变化规律，为理解植物发育调控和除草剂设计提供新见解。论文发表于《Molecular Plant》。

　　

植物激素生长素（auxin）在植物生长发育中扮演着核心角色，其独特的浓度梯度分布通过极性运输系统形成。这一过程依赖于生长素外排载体PIN蛋白的定向分布，而生长素输入载体AUX1的主动摄取同样不可或缺。尽管AUX1作为主要的生长素输入载体已被发现近三十年，其如何识别多样化的生长素分子（如天然生长素IAA和合成除草剂2,4-D）并实现质子偶联转运的分子机制仍不明确。此外，AUX1突变会导致植物重力反应缺失等严重表型，但相关结构基础尚未阐明。

为解决这些问题，北京大学现代农业研究院、中国科学院物理研究所和北京大学生命科学联合中心的研究人员合作，通过冷冻电镜技术解析了拟南芥AUX1在apo状态和结合生长素类似物2,4-D的高分辨率结构，相关成果发表在《Molecular Plant》上。研究揭示了AUX1独特的构象调控机制和生长素识别密码，为理解植物发育调控和农业应用提供了关键理论依据。

研究主要采用冷冻电镜单颗粒分析技术，通过HEK293F细胞异源表达系统获得蛋白样品，结合放射性标记的[³H]-IAA摄取实验验证功能。利用AlphaFold2预测模型辅助结构搭建，并通过位点突变和转运活性检测验证关键功能残基。

结构特征揭示独特的构象稳定机制
AUX1呈现经典的LeuT折叠，但具有两个显著特征：N端环与TM6-TM7环互锁形成"刹车系统"，C端环通过二硫键（Cys⁴⁶⁴-Cys⁴⁶⁷）折叠在胞外门上方。这些特征与大多数已知LeuT折叠转运体不同，可能通过限制TM1a运动来调控构象转换。在胞外门附近还发现一个可能的阳离子结合位点（涉及Ser³⁷⁸等残基），其突变会显著降低转运活性，提示离子可能通过稳定TM6a-TM10相互作用辅助门控。

2,4-D识别机制与构象重排
2,4-D结合在由TM1、TM3和TM6形成的中央腔中：其乙酸基团与Gln⁶²、Gln¹⁵³和Tyr²⁴⁴形成极性相互作用，苯氧基环则被Tyr²⁴⁴/Gly²⁴⁸夹持。比较结构显示，2,4-D结合诱导TM1a旋转45°并解旋（Ser⁵⁷-Val⁶³），使AUX1从内向闭合态转为开放态。特别值得注意的是，TM6b的Gly²⁴⁷-Gly²⁴⁸双甘氨酸铰链允许His²⁴⁹发生180°旋转，在apo结构中与Asn¹⁴²形成氢键。His²⁴⁹突变会完全丧失转运活性，表明其可能作为质子感受器参与门控。

质子偶联转运模型
与Na⁺依赖的LeuT不同，AUX1缺乏保守的Na⁺结合位点。研究人员提出"双质子驱动"模型：第一个质子可能中和IAA^-的负电荷促进结合，第二个质子通过His²⁴⁹质子化触发构象变化。比较结构分析显示，TM1和TM6需要分别移动10?以实现"摇椅式"交替访问，这与已知的LeuT折叠转运机制一致但具有AUX1特异性。

该研究首次揭示了植物生长素输入载体的精细结构，阐明了AUX1识别多样化生长素分子的结构基础，并为理解其质子偶联转运机制提供了直接证据。发现的His²⁴⁹门控机制和独特构象调控特征，不仅解释了经典突变体（如aux1-106、aux1-120）的表型成因，也为设计新型生长素类除草剂提供了分子模板。这些发现将推动植物激素运输领域的研究，并为农业应用开发奠定理论基础。