近日，上海科技大学生命科学与技术学院刘冀珑课题组在植物逆境生物学领域取得重要进展。通过冷冻电子显微镜和蛋白质结构预测工具AlphaFold2，团队首次解析了植物中脯氨酸代谢途径中的关键限速酶——吡咯啉-5-羧酸合成酶（AtP5CS）的代谢纤维结构，不仅解析了AtP5CS高效催化的独特机理，同时也揭示了植物脯氨酸代谢和应激反应背后错综复杂的机制。这项研究成果发表在《自然·植物》（Nature Plants），论文题为“Dynamic Arabidopsis P5CS filament facilitates substrate channeling” 。
干旱、盐分胁迫和极端温度等非生物胁迫对全球农作物生产构成了威胁。为了实现最佳的作物生产力，植物必须能够高效地克服这些胁迫。在这些胁迫条件下，脯氨酸的快速积累是植物响应机制中的一个显著特征和主要应对策略。AtP5CS是植物从头合成脯氨酸的关键限速酶，含两个功能结构域：谷氨酸激酶(GK)和谷氨酰磷酸还原酶(GPR)结构域。
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
研究团队通过实验验证了AtP5CS代谢纤维结构对其高效催化活性的保证。这种独特的丝状结构对于AtP5CS催化过程中生成的脆弱中间产物谷氨酸5-磷酸（L-Glutamic acid 5-phosphate，G5P）的运输至关重要。通过将动态丝状结构分析与酶的生化实验相结合，研究人员提出了一个全新的模型，该模型揭示了AtP5CS的催化过程和丝状化过程之间精致巧妙的相互作用。
一方面，AtP5CS的催化作用促进了丝状结构的形成。在没有底物的空载状态下，特定的氨基酸残基吸引AtP5CS四聚体聚集；而当底物结合或催化发生时，这些四聚体开始形成稳定的丝状结构。这种结构的形成和延伸是通过四聚体的吸引和催化过程的反复作用实现的。
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，AtP5CS的丝状化对于提高脆弱中间产物G5P的传递效率至关重要，这有助于整个催化过程。在AtP5CS丝状结构中，GK和GPR两个功能域之间显示出很大的灵活性，GPR二聚体能够在GK四聚体周围进行显著的旋转。这种结构特点使得GK和GPR活性中心之间的距离在某些情况下显著缩短，从而有助于中间产物的有效传递。此外，GPR活性位点与相邻螺旋单元的GK活性位点之间的距离几乎相同，这也为中间产物的转移提供了可能。AtP5CS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，上科大生命学院教授、上海临床研究中心特聘科学家刘冀珑为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位，上海临床研究中心为共同完成单位。
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