Ученые раскрыли молекулярный механизм полярного транспорта ауксина, опосредованного белками PIN

Ауксин — важнейший гормон растений. Он синтезируется в основном в семядолях, молодых листьях и других растущих тканях и транспортируется к тканям-мишеням посредством полярного транспорта, регулируя развитие и рост растений. Как осуществляется этот полярный транспорт ауксина (PAT)?

Совместная команда Университета Чжэцзян и Университета Хубэй под руководством доктора Го Цзянтао из Медицинской школы Университета Чжэцзян раскрыла молекулярные механизмы работы транспортера ауксина PIN-FORMED (PIN). Исследование было опубликовано онлайн в журнале Nature 2 августа. Как крупный прорыв в изучении PAT, эти результаты позволили решить сложную проблему, связанную с фототропизмом, и заложили прочную основу для дальнейшего регулирования PAT.

В конце XIX века Чарльз Дарвин обнаружил, что при освещении кончика колеоптиля односторонним светом он передает некое «влияние» в зону растяжения ниже, вызывая более быстрый рост затененной стороны. В 1928 году Фриц Вент подтвердил, что фототропизм вызывается особым химическим соединением, и назвал его ауксином. Индол-3-уксусная кислота (IAA) была выделена из высших растений только в 1946 году.

Последующие исследования показали, что ауксин связан не только с фототропизмом, но и с гравитропизмом и хемотропизмом. Тропизм в основном вызван полярным распределением ауксина в растениях, поэтому PAT играет ключевую роль в этом процессе.

PAT в значительной степени зависит от трех транспортеров ауксина: PIN-FORMED (PIN), белка-переносчика ауксина 1 (AUX1) и транспортеров ABC, среди которых PIN-белки составляют наиболее важную часть системы PAT. Мутанты pin характеризуются дефектами PAT, такими как нарушение фото- и гравитропизма. Однако о том, как PIN-белки опосредуют отток ауксина, известно мало.

Го Цзянтао и коллеги определили крио-ЭМ структуры Arabidopsis thaliana PIN3 (AtPIN3) в апо-состоянии (AtPIN3_apo) и в состоянии, связанном с IAA (AtPIN3_IAA). AtPIN3 существует в виде гомодимера. Каждая субъединица содержит 10 трансмембранных спиралей (TM1-10), причем TM1-5 и TM6-10 являются инвертированными структурными повторами. Структуры AtPIN3_apo и AtPIN3_IAA схожи и находятся в конформации, обращенной внутрь. AtPIN3 состоит из домена каркаса и транспортного домена. В AtPIN3_IAA молекула IAA связывается в кармане, обращенном внутрь, между этими доменами, образуя водородные и гидрофобные взаимодействия с несколькими консервативными аминокислотными остатками.

Для проверки режима связывания IAA с AtPIN3 исследователи провели in vitro транспортный анализ с радиоактивной ³H-меченой IAA. По сравнению с диким типом (WT) AtPIN3, мутанты показали сниженную активность оттока ³H-меченой IAA. Константы диссоциации K_D для связывания IAA с WT и мутантным AtPIN3 были измерены с помощью поверхностного плазмонного резонанса. Результаты показали, что WT AtPIN3 обладает более высоким сродством к IAA. Также использовались другие методы для проверки, такие как молекулярно-динамическое моделирование и структурное сравнение.

N-1-нафтилфталаминовая кислота (NPA) используется в качестве ингибитора транспортеров ауксина для изучения механизма PAT. Растения, обработанные NPA, демонстрируют фенотип, практически идентичный мутантному штамму pin1-1. Мишени и механизмы действия NPA долгое время оставались предметом споров.

Исследователи проанализировали структуру комплекса AtPIN3-NPA (AtPIN3_NPA) и обнаружили, что NPA связывается в сайте связывания субстрата в AtPIN3 со сродством, более высоким, чем у IAA. Таким образом, NPA действует как конкурентный ингибитор, занимая сайт связывания субстрата ауксина и ингибируя потенциальные конформационные изменения PIN-белков во время транспорта. На этой основе команда доктора Го предложила молекулярный механизм ингибирования NPA опосредованного PIN-белками транспорта ауксина.

Это исследование не только дает глубокое понимание долгожданного молекулярного механизма транспорта ауксина, опосредованного PIN-белками, но и открывает новые возможности для разработки ингибиторов PIN. Эти ингибиторы могут служить полезным инструментом для исследований PAT или эффективным гербицидом.