中科院聯合團隊：揭示膽堿轉運蛋白，為植物改造提供策略

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心范敏銳研究組聯合復旦大學張金儒團隊、美國愛荷華州立大學Gwyn A. Beattie團隊，在《科學進展》（Science Advances）上發表了題為Structure and mechanism of the osmoregulated choline transporter BetT的研究論文。該研究解析了與細菌滲透壓保護相關的膽堿轉運蛋白BetT的高分辨率冷凍電鏡結構，闡明了BetT識別膽堿的分子基礎以及活性調控的自抑制機制，為改造植物以提高葉綠體膽堿攝取能力及抗逆能力提供了借鑒。

光合作用是植物生長發育的基礎。在逆境條件下，植物通過一系列策略來保護自身免受光抑制損傷。研究顯示，甜菜堿對于保護植物在高鹽、干旱、高溫等環境壓力下免受光抑制損傷具有重要作用，而引入甜菜堿合成相關基因可以提高植物的耐逆能力和光合固碳效率。植物的甜菜堿在葉綠體中合成，需要將前體膽堿轉運到葉綠體內，進一步生成甜菜堿。研究顯示，細菌存在類似的膽堿轉運和甜菜堿合成途徑，且生成的甜菜堿可以幫助細菌抵御外界滲透壓的變化。

該研究聚焦細菌中滲透壓調控的膽堿轉運蛋白BetT，利用冷凍電鏡技術解析了來源于丁香假單胞菌的BetT（PsBetT）處于apo和膽堿結合狀態的結構，分辨率分別為2.57埃和2.58埃。結構顯示，BetT蛋白采用經典的LeuT折疊模式，形成domain-swapped的三聚體。其中，每個單體的C端結構域與相鄰單體的跨膜結構域相互作用。底物膽堿結合在由三個高度保守的色氨酸形成的特殊口袋中，涉及陽離子-π相互作用。突變結合口袋的相關氨基酸殘基影響BetT對膽堿的轉運。此外，關于膽堿的質子協同轉運機制，研究通過功能實驗找到潛在的質子化位點D210。這與結構上的發現吻合。

對于PsBetT的活性調控機制，研究人員根據結構分析提出自抑制模型，并推測自抑制的活性調控機制涉及跨膜結構域和C端結構域之間的相互作用。功能實驗結果表明，野生型BetT僅在高鹽條件下表現出較高的膽堿轉運活性，而C端結構域截短體BetTΔCTD在低鹽條件下表現出較高的膽堿轉運活性。C端結構域和跨膜結構域相互作用界面處的關鍵氨基酸殘基的突變體同樣在低鹽條件下表現出較高的膽堿轉運活性。此外，自抑制機制依賴于BetT三聚體的形成。如果通過突變使BetT解聚成單體，則其單體在低鹽條件下即可表現出較高的活性。

上述成果揭示了BetT的膽堿識別機制以及滲透壓對其活性的調控機理，為探討同家族蛋白的活性調控機制提供了模板。同時，該研究為改造植物以提高光合作用效率提供了分子策略。

研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項以及中國科學院上海分院的支持。