Nature Comm | 马建锋/Michihiro Suga合作揭示水稻硅转运蛋白Lsi1高选择性结构基础

撰文 | 秀山芦洲

硅（Si）是地壳中含量最丰富的矿质元素。植物从土壤中以硅酸 [Si (OH)₄] 的形式从土壤中吸收硅 (Si)，在体内积累，并以二氧化硅 SiO2 的形式沉积在表面，从而引起对病害虫、高温、干旱等胁迫的抗性。对水稻而言，硅是必不可少的有益元素，而硅酸[Si(OH)₄]是其主要吸收形态。研究表明，定位在其根系外皮层及内皮层细胞膜远端及近端的Lsi1和Lsi2则分别负责Si(OH)₄进入细胞和从细胞中排出，即通过合作吸收并将Si(OH)₄运输到地上部分（图1）。

图1. 极性定位的Lsi1和Lsi2协同作用负责硅酸的吸收及向地上部分的运输

在这一高效吸收与转运体系中，Lsi1由水通道蛋白家族中Nodulin 26-like intrinsic proteins (NIPs)亚家族成员OsNIP2;1编码，是植物中首个报道的Si(OH)₄转运蛋白【1-3】。Lsi1是水稻Si吸收的关键蛋白，该基因功能失活突变体的结实率及产量显著下降，同时对病虫害的抵抗能大幅降低（图2）。水通道蛋白家族成员的底物比较广泛，包括水、甘油、尿素、氨、硅、砷及硼等各种类金属以及金属锗等，但其中特定成员的底物可能具有一定的特异性【4】。其底物除了Si(OH)₄外，还有亚砷酸[As(OH)₃]及锗酸[Ge(OH)₄]【2,5】。虽然Lsi1已被分离15年，但其高效摄取Si(OH)₄的机制仍然是未知的。

图2. lsi1突变体与WT的表型差异

近期，日本冈山大学Jian Feng Ma 和Michihiro Suga教授课题组联合攻关，利用X射线晶体学技术以 1.8 Å（1 Å = 1 × 10^–10m）的分辨率确定了Lsi1 的三维结构，并确定了其底物的选择特征。相关研究结果以Structural basis for high selectivity of a rice silicon channel Lsi1为题于近日发表在Nature Communications杂志上。

由于全长Lsi1蛋白无法进行结晶，在截断的Lsi1突变体(Lsi1_cryst, ΔN44/ΔC24/K50R/C66A/T93V/C139A/K232R/T253V/K264R)晶体的解析结果基础上，研究人员发现Lsi1_cryst与其它物种中的水通道蛋白（AQP）一样以四聚体的形式折叠在一起（图3A），其每个单体具有6个跨膜结构域（TM1-TM6），5个连接loop（loop A- loop E）及2个半螺旋结构（HB和HE），而其N和C末端均位于细胞膜的胞质侧（图3B）。

图3. Lsi1的四聚体积单体结构模型图

关注该通道的selectivity filter（SF）部分，发现Lsi1蛋白中的5个氨基酸残基(Gly88_TM2, Val173, Thr206, Ser207_TM5,和Gly216_LE1)对其底物的选择性至关重要，改变了Lsi1_cryst上TM1, TM2, TM4,TM5等4个跨膜结构域和HE的构象，而这5个氨基酸残基的3个(Gly88_TM2, Ser207_TM5, and Gly216_LE1)比同源蛋白相应位置的氨基酸小，进一步减缓了该通道孔隙对底物的严格限制。

在与Lsi1具有进化共同祖先的水通道中，相关部分被四个氨基酸包围，但在Lsi1中，第五个氨基酸（第65个Thr）是分开的。发现它存在并且水分子与其结合以允许硅酸具有最佳渗透能力（图4）。因此，当通过人为突变这次新发现的第5个氨基酸来研究Lsi1的功能时，证实该部分对于硅酸的渗透是重要的。此外，当通过理论化学计算验证硅酸渗透的分子机制时，很好地解释了Lsi1的第五个氨基酸和水分子的作用。

图4. Lsi1及其它AQP的SF构成比较

水通道蛋白的发现曾入选 2003 年诺贝尔化学奖，水和物质被细胞吸收成为生物学的重要研究课题。本研究首次发现了水稻Lsi1的三维结构，而且鉴定出了决定水通道蛋白渗透物质的5个关键氨基酸。

通过从根部吸收生长所需的矿物质，植物可以灵活地应对波动的环境和各种压力。另一方面，植物无法区分对人体有害的金属，会连同必需或有益元素的吸收一并摄入。因此砷等毒害元素有可能通过食物链被我们摄入，损害我们的健康。通过阐明植物矿物质转运蛋白的三维结构，深入了解植物吸收矿物质的分子机制，能帮助我们有效优化转运蛋白的运输底物，有助于稳定作物生产力和提高安全性。

参考文献

1. Ma, J. F. & Yamaji, N. A cooperative system of silicon transport in plants. Trends Plant Sci. 20, 435–442 (2015).

2. Ma, J. F. et al. A silicon transporter in rice. Nature 440, 688–691 (2006).

3. Ma, J. F. et al. An efflux transporter of silicon in rice. Nature 448, 209–212 (2007).

4. Deng, F. et al. Aquaporins mediated arsenite transport in plants: Molecular mechanisms and applications in crop improvement. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 50: 1613-1639 (2020).

5. Ma, J. F. et al. Transporters of arsenite in rice and their role in arsenic accumulation in rice grain. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 9931–9935 (2008).

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26535-x