植物生长素转运蛋白LAX3的结构与机制解析：揭示质子耦合转运新范式

本研究通过冷冻电镜技术解析了拟南芥生长素输入转运蛋白LAX3的四种构象状态（内向开放、半闭合及全闭合），结合分子动力学模拟揭示了其质子耦合转运机制。研究发现LAX3通过保守组氨酸残基（His247/His319）实现生长素（IAA）与质子1:1协同转运，阐明了合成生长素类除草剂（2,4-D）与抑制剂（2-NOA）的竞争性结合模式，为植物激素定向运输的分子机制提供了结构基础。

　　

植物生长素作为调控生长发育的核心激素，其定向运输机制一直是植物生物学领域的重大科学问题。尽管早先提出的"离子陷阱"假说认为生长素可被动扩散进入细胞，但拟南芥AUX1突变体的发现表明，AUX/LAX家族蛋白介导的主动转运才是生长素分布的关键。然而，这类植物特有的转运蛋白如何识别多样化的生长素类似物，又如何利用质子梯度驱动转运，始终是未解之谜。

丹麦奥胡斯大学分子生物学与遗传学系的研究团队在《Nature Plants》发表突破性成果，通过冷冻电镜首次捕获了拟南芥LAX3蛋白的四种构象状态，结合功能实验与计算模拟，揭示了生长素转运的分子密码。研究人员发现，LAX3采用经典的APC超家族折叠，但创新性地用组氨酸残基取代了钠离子结合位点，形成独特的质子耦合机制。特别值得注意的是，合成除草剂2,4-D通过模拟天然生长素IAA的羧基结合模式实现竞争性抑制，而抑制剂2-NOA则通过干扰关键组氨酸质子传递发挥阻断作用。

关键技术方法包括：1）在酵母中表达并纯化截短型LAX3蛋白（44-470位氨基酸）；2）利用冷冻电镜解析2.9-3.4 ?分辨率的结构；3）通过非洲爪蟾卵母细胞转运实验测定动力学参数（K_m=228±51 nM）；4）开展累计24微秒的分子动力学模拟，分析不同质子化状态下底物释放路径。

结构与机制解析

研究获得LAX3的四种高分辨率结构：内向开放的apo状态（3.16 ?）、IAA/2,4-D结合的内向半闭合状态（3.21/3.43 ?）以及2-NOA结合的全闭合状态（2.88 ?）。结构显示，保守组氨酸His247和His319占据钠离子转运蛋白中Na1/Na2位点的等效位置，形成质子传递网络。分子动力学模拟表明，IAA在His247质子化状态下可发生180°翻转，通过Arg192引导释放至胞质，验证了1:1的H⁺:IAA^-化学计量比。

底物识别特异性

结合口袋可分为上部极性区（Tyr242、His247）和下部疏水区（Phe326、Val249）。IAA的吲哚环与Asn56形成氢键，而2,4-D的苯氧环因缺少氮原子无法形成该相互作用。2-NOA则通过芳氧原子与Tyr242/Gln151的新相互作用，将羧酸根基团推离His247，解释了其抑制机制。点突变实验证实，破坏任一关键残基（如H247A/Y242F）均会导致转运功能丧失。

转运模型创新

研究提出"摇动束"（rocking bundle）转运模型：质子化的IAA通过共享His247的氢键稳定在外开状态，束结构域（bundle domain）的10°旋转促使M5螺旋解旋，Arg192摆动180°引导底物释放。这一机制与PIN外排蛋白的底物翻转现象形成有趣呼应，为植物激素的极性运输提供了完整认知。

该研究不仅阐明了AUX/LAX家族识别天然/合成生长素的分子基础，其揭示的质子耦合机制更为设计新型植物生长调节剂提供了精准靶点。特别值得注意的是，LAX3对2,4-D的高亲和力结合（K_m=218 nM）为理解除草剂作用机制开辟了新视角，而组氨酸介导的质子传递范式可能普遍存在于其他非钠依赖的APC转运蛋白中。这些发现对作物遗传改良和可持续农业的发展具有重要指导意义。