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Jun 09, 2023

식물 SUC1 자당 수송체의 구조 및 자당 결합 메커니즘

자연식물(2023)인용

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광합성 조직에서 체관부로의 자당 수입은 친화도가 낮은 자당 수송체 계열(SUC/SUT 계열)의 수송체에 의해 매개됩니다. 더욱이, 다른 조직으로의 자당 재분배는 이러한 수입 활동에 의해 생성된 높은 팽압의 산물인 체관부 수액 이동에 의해 주도됩니다. 또한 고농도의 설탕을 축적하는 과일, 곡물 및 씨앗과 같은 흡수 기관도 이러한 자당의 활성 수송에 의존합니다. 여기에서는 분자 역학 시뮬레이션 및 생화학적 특성 분석과 함께 2.7Å 해상도의 바깥쪽으로 열린 구조로 자당-양성자 공수송체인 Arabidopsis thaliana SUC1의 구조를 제시합니다. 우리는 양성자 구동 자당 흡수에 필요한 주요 산성 잔류물을 식별하고 양성자와 자당 결합이 어떻게 강력하게 결합되는지 설명합니다. 자당 결합은 엄격한 pH 의존적 방식으로 주요 산성 잔기에 직접 결합하는 글루코실 부분에 의해 초기 인식이 매개되는 2단계 과정입니다. 우리의 결과는 식물에서 낮은 친화력의 자당 수송이 어떻게 달성되는지 설명하고 선택성을 정의하는 데 도움이 되는 다양한 SUC 바인더를 찾아냅니다. 우리의 데이터는 양이온 구동 결합과의 링크를 통해 양성자 구동 결합을 위한 새로운 모드를 보여주고 매우 풍부한 기질 환경에서 일반적인 낮은 친화도 수송을 위한 광범위한 모델을 제공합니다.

자당은 식물 성장과 발달에 필수적이며, 신호 분자로서의 추가적인 역할과 함께 중앙 식물 대사산물 역할을 합니다1,2,3. 대부분의 식물 종에서 자당은 광합성 중에 생성되는 동화 탄소의 주요 형태입니다. 녹색 공급원 조직(일반적으로 잎)에서 에너지를 요구하는 싱크 조직까지의 장거리 자당 분포는 체관부에 의해 매개됩니다. 여기서는 두 계열, 즉 자당 수송체 계열(SUT/SUC 계열로 명명)과 SWEET 계열의 설탕 수송체가 중심 역할을 합니다5,6,7,8. SWEET 촉진제가 설탕을 유출하는 반면, 활성 부하는 축적을 위해 자당 흡수를 유도하기 위해 원형질막 양성자 원동력을 사용하는 SUC에 의존하며 농도는 체관부에서 1.3몰에 달합니다9,10,11,12,13,14. 체관부 수액 운동은 이 SUC 활동에 의해 생성된 높은 팽압의 산물입니다. 또한 발달 단계에서 고농도의 당을 축적하는 과일 및 씨앗과 같은 싱크 기관도 SUC에 의한 자당의 활성 수송에 의존합니다.

SUC는 MFS(Major Facilitator Superfamily)에 속하는 GPH(Glycoside-Pentoside-Hexuronide):양이온 수송체 계열의 일부입니다. GPH 계열의 구성원은 포도당, 멜리비오스 또는 자당과 같은 작은 용해성 분자부터 큰 양친매성 용해질에 이르기까지 광범위한 기질을 운반하는 것으로 알려져 있으며 일반적으로 1가 양이온의 운반과 결합됩니다19,20,21. SUC는 양성자 결합 수송체로서 다양한 GPH 계열에서 독특한 위치를 차지하고, 알려진 다른 가지와 매우 낮은 서열 동일성을 갖습니다(<16%).

식물 생리학의 기본 과정에서 핵심적인 역할에도 불구하고 SUC의 작동 메커니즘은 아직 알려지지 않았습니다. SUC가 어떻게 자당을 인식하는지, 수송이 어떻게 양성자와 결합되는지는 불분명합니다. 자당 농도가 극도로 높은 환경으로 자당을 방출하는 능력을 보유하고 있는 자당 결합 부위는 독특한 특징을 가져야 합니다. 실제로 구동 양성자 구배와의 결합은 긴밀하고 잘 조정되어야 합니다. Arabidopsis thaliana에는 9개의 SUC 수송체(SUC1-9)가 있으며, SUC1은 최초로 확인된 자당-H+ 공수송체 중 하나입니다(확장 데이터 그림 1)22,23,24,25,26,27,28. SUC1은 생식 기관, 모모 및 뿌리에서 주로 발현되며 원형질막에 위치하며 적절한 꽃가루 기능에 필요합니다24,29,30,31,32,33.

여기에서는 포괄적인 생화학적 특성 분석 및 분자 역학(MD) 시뮬레이션과 함께 A. thaliana SUC1의 구조를 제시합니다. 우리의 연구는 기질 인식과 양성자가 독특한 메커니즘으로 자당 수송에 직접 결합되는 방식을 설명함으로써 양성자 결합 자당 수송을 이해하는 데 핵심 요소를 찾아냅니다. 이 메커니즘은 높은 몰 수크로스 농도를 갖는 환경에서 자당 결합 및 방출을 허용하며, 이는 적절한 체관 기능, 이형성으로 분리된 조직으로의 수송 및 식물 성장에 필수적입니다.