2025年1月21日，Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏与王永飞团队合作完成的题为“Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis”的研究论文。该研究解析了首个植物磷酸盐转运蛋白的三维结构，揭示了模式植物拟南芥PHO1;H1外排磷酸根的分子机制和多磷酸肌醇介导的调控机制。

磷是所有生物体所必需的大量营养元素，在遗传信息储存、细胞膜形成、能量货币等方面具有多种生理作用。然而，由于土壤中磷的可用性差，磷是全球作物生产力的主要限制因素。植物进化出了复杂的无机磷酸盐（Inorganic phosphate, Pi）转运系统，从土壤中吸收Pi，并介导Pi在不同的组织和细胞（器）之间运输，以维持Pi稳态。迄今为止，已在植物中鉴定出多种Pi转运蛋白，其中PHT1、PHT5和VPE蛋白属于MFS家族，SPDT、PHT2、PHT3和PHT4蛋白属于SLC家族，PHO1及同源蛋白属于独特的SPX-EXS家族。目前仍然缺少对植物Pi转运蛋白三维结构及调控机制的了解。

拟南芥PHO1及同源蛋白PHO1;H1（AtPHO1/AtPHO1;H1）是SPX-EXS家族Pi转运蛋白的典型代表，二者均参与无机磷向木质部导管的装载过程，以实现磷从根部到地上部分的运输（图1）。PHO1蛋白包含N端的胞质侧SPX结构域和C端EXS跨膜结构域，其中SPX结构域作为Pi感受器，能够与细胞内高磷信号分子焦磷酸肌醇结合，从而调控磷外排活性。然而，人们对于PHO1蛋白如何介导Pi的外排以及焦磷酸肌醇的调控机制并不了解。

研究人员首先运用电生理技术验证了六磷酸肌醇（InsP₆）对AtPHO1;H1外排Pi的激活作用（图1a）。进而，通过异源表达纯化AtPHO1;H1蛋白，并利用单颗粒冷冻电镜技术解析了AtPHO1;H1结合底物Pi及调控分子InsP₆、且处于通道关闭构象的三维结构（图1b）。进一步的分子动力学模拟和AlphaFold预测获得了AtPHO1;H1的开放构象（图1c）。分析发现，AtPHO1;H1以同源二聚体形式存在；其EXS结构域呈现一种新的蛋白质折叠方式，每个EXS结构域都包含一个独立的底物运输通道（图1c）。两个关键的门控氨基酸Trp719和Tyr610位于底物结合位点上方，调控通道的开放与关闭。结构和生化分析结果表明，InsP₆结合于SPX结构域的二聚体界面，发挥“分子胶水”的功能，促进SPX二聚化过程并显著增强AtPHO1;H1的活性。此外，研究还发现AtPHO1;H1的C端结合于EXS结构域和SPX结构域之间，对于维持AtPHO1;H1活性起关键作用。

基于结构和功能分析，研究者发现AtPHO1;H1采用一种类似通道的机制介导Pi的外排，并通过感知磷酸肌醇水平来精准调控自身的转运活性。据此研究者提出了AtPHO1;H1的工作与调控模型（图2）：在低磷条件下，植物体缺少焦磷酸肌醇信号分子（高磷信号），AtPHO1;H1蛋白EXS结构域的Pi转运通道被处于单体状态的SPX结构域阻挡，导致底物Pi无法进入转运通道而处于失活状态（图2，左）；磷浓度的升高会促进焦磷酸肌醇信号分子的生成，并结合到AtPHO1;H1的SPX结构域，后者发生构象变化并二聚化，使得EXS结构域的Pi转运通道暴露出来（图2，中）；Pi进入转运通道并促使门控氨基酸（Tyr610/Trp719）及跨膜螺旋TM9发生构象变化，转运通道完全开放，从而实现Pi从高浓度向低浓度的转运（图2，右）。

该工作首次揭示了植物磷酸盐转运蛋白的结构与分子机制；同时鉴于PHO1与植物的光合作用效率相关联,该研究也为改造作物磷吸收水平和光合作用效率提供了重要的理论基础。在本研究审稿期间，有研究团队报道了哺乳动物中SPX-EXS家族磷转运蛋白XPR1的结构和调控机制: Nature（doi: 10.1038/s41586-024-07852-9）和Science（doi: 10.1126/science.adp3252）。这些研究与本研究共同揭示了SPX-EXS家族磷转运蛋白可能拥有相似的转运及调控机制。

分子植物卓越中心张鹏研究组的博士研究生方孙贞合、博士后杨阳和助理研究员张雪博士为该项工作的共同第一作者。张鹏和王永飞为该研究的共同通讯作者。本研究的冷冻电镜数据收集和蛋白样品分析得到了中国科学院生物与化学交叉研究中心和分子植物卓越中心公共技术服务中心的支持和帮助。本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院及上海市项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01895-6

图1. AtPHO1;H1的电生理分析、整体结构和底物跨膜转运通道

图2. AtPHO1;H1的工作模型