北京时间2024年5月13日17时，上海科技大学生命学院刘冀珑教授团队在Nature Plants杂志在线发表了题为“Dynamic Arabidopsis P5CS filament facilitates substrate channeling”的研究论文。
该研究首次解析了植物中脯氨酸合成的关键限速酶——吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）代谢纤维的结构，证明了该纤维结构极大地促进了不稳定中间产物的传递，提示P5CS纤维结构对于植物脯氨酸的高效合成至关重要。
在复杂多变的环境中，植物必须应对包括干旱、高盐和极端温度等在内的非生物胁迫。在这些胁迫条件下，脯氨酸的快速积累是植物响应胁迫的一个显著特征和重要策略。P5CS是植物从头合成脯氨酸的关键限速酶，催化连续的两步反应。两步反应分别由两个功能结构域完成，即谷氨酸激酶(GK)和谷氨酰磷酸还原酶(GPR)结构域。模式植物拟南芥编码两个P5CS，AtP5CS2主要为植物的生长发育提供脯氨酸，在分裂旺盛的细胞中高表达；AtP5CS1则主要响应各类非生物胁迫，在逆境条件下高表达。
图1：AtP5CS1以及AtP5CS2的代谢纤维结构模型。(a) AtP5CS1代谢纤维主视图和侧视图；(b) AtP5CS1代谢纤维俯视图；(c) AtP5CS2代谢纤维主视图和侧视图；(d) AtP5CS2代谢纤维俯视图。
在这项开创性的研究中，研究人员发现，在催化过程中，两个拟南芥P5CS都会组装成代谢纤维。借助冷冻电镜和AlphaFold2，研究人员解析了两个拟南芥P5CS纤维的结构并搭建了原子模型。利用这些结构信息，研究人员得以进一步构建点突变，从而精确地破坏拟南芥P5CS的纤维结构。与野生型P5CS相比，无法组装成纤维的突变体蛋白对于不稳定中间产物谷氨酸5-磷酸（G5P）的利用效率显著下降，证明了P5CS独特的纤维结构对中间产物传递的重要作用。结合结构分析与生化实验，研究人员提出了一个全新的模型，该模型揭示了拟南芥P5CS的催化作用和纤维结构之间精致巧妙的相互作用：
一方面，拟南芥P5CS的催化促进了丝状结构的形成。在没有底物的空载状态下， AtP5CS四聚体随机或在较弱的相互作用吸引下小规模聚集；而当底物结合或催化发生时，关键的“hook”结构锁定，这些四聚体开始形成稳定的纤维结构；随后新一轮催化开始，附近的四聚体进一步被锁定在丝状结构两端，最终形成有一定长度的稳定纤维结构。
图2：动态的AtP5CS代谢纤维促进脆弱中间产物运输。(a) AtP5CS代谢纤维组装模型; (b) 代谢纤维促进底物通道作用的机制。
另一方面，拟南芥P5CS的纤维结构对于提高不稳定中间产物G5P的传递效率至关重要，这有助于P5CS整体的活性。在拟南芥P5CS纤维中，GK和GPR两个功能域的相对位置非常灵活，GPR二聚体能够在GK四聚体周围较大的范围内旋转。在某些特定的位置下，GK和GPR活性中心之间的距离显著缩短，从而有助于中间产物的有效传递。此外，在摆动过程中，GPR可以接触到上下相邻两个螺旋单元的GK，这也为中间产物的灵活转移提供了可能。拟南芥P5CS丝状结构为GPR二聚体的旋转和中间产物的传递提供了一个特殊的平台。
上海科技大学生命学院2022级博士研究生郭陈君以及2023级博士研究生张天一为该论文的共同第一作者，刘冀珑教授为该论文的通讯作者。这项研究获得上海科技大学和国家自然科学基金的资助以及上海科技大学电镜平台和生命学院分子细胞平台的技术支持。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41477-024-01697-w
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