生长素是最重要的一类植物激素，对植物生长发育起核心调控作用。在种子植物中，生长素主要通过极性运输或者维管系统进行运输。PIN家族蛋白介导生长素外排，是承担植物体生长素极性运输的最重要的转运蛋白。PIN突变体会影响PIN极性定位和活性，从而导致生长素分布失衡。NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）是一种除草剂，也是生长素极性运输的抑制剂。长期以来，人们对PIN如何介导生长素的外排，以及NPA如何抑制生长素的极性运输的分子机制尚不清楚。
2022年8月2日，浙江大学基础医学院生物物理系长聘副教授/附属第四医院双聘教授郭江涛指导的浙江大学-湖北大学联合研究团队在Nature杂志在线发表了题为“Structures and mechanisms of the Arabidopsis auxin transporter PIN3”的研究论文，报道了拟南芥PIN3（AtPIN3）在apo状态、生长素吲哚乙酸IAA结合状态和NPA结合状态下的3个高分辨率冷冻电镜结构，为理解PIN介导生长素转运和NPA抑制生长素极性运输的分子机制提供了结构基础。
为了研究AtPIN3转运IAA的活性，研究人员首先建立了体外放射性3H-IAA转运实验体系，通过细胞内3H-IAA的积累来表征AtPIN3的转运活性（图1a）。随后，通过单颗粒冷冻电镜技术，研究人员解析了AtPIN3在apo状态、NPA结合状态以及IAA结合状态下的高分辨率结构。AtPIN3是一个同源二聚体，每个亚基包含10个跨膜螺旋（TM1–10），TM1–5和TM6–10为反向重复结构。AtPIN3单体被分为两个结构域，分别为支架结构域（scaffold domain）和转运结构域（transport domain）（图1b）。AtPIN3apo, AtPIN3NPA和AtPIN3IAA三个结构类似，且均为向内开放状态（图1c, f）。AtPIN3NPA和AtPIN3IAA复合物结构清楚地揭示了NPA、IAA与AtPIN3的结合模式。NPA和IAA的结合模式类似，均结合在TM4b和TM9b中间，与AtPIN3形成氢键和疏水相互作用（图1d, e, g, h）。抑制剂NPA和底物IAA的结合位点重叠，揭示了NPA抑制生长素极性运输的分子机制：NPA作为竞争性抑制剂，直接占据生长素在PIN上的结合位点，并抑制了转运过程中PIN的潜在构象变化。
图1. AtPIN3的结构。a. 3H-IAA转运体系模式图。b. AtPIN3的密度图和结构图。c. AtPIN3NPA的密度图。d. NPA的密度图。e. AtPIN3NPA结构中NPA的结合位点。f. AtPIN3IAA的密度图。g. IAA的密度图。h. AtPIN3IAA结构中IAA的结合位点。
随后，研究人员通过体外放射性3H-IAA转运实验，验证了AtPIN3的关键氨基酸残基在IAA转运和NPA抑制过程中的重要作用，通过表面等离子体共振技术（SPR）验证了关键氨基酸残基对IAA和NPA结合AtPIN3的亲和力的影响。3H-IAA外排实验和表面等离子体共振技术实验结果进一步验证了冷冻电镜结构中观察到的IAA和NPA与AtPIN3的结合模式。
结构分析发现，AtPIN3的二聚化主要是两个亚基支架结构域的TM1–2和TM7的对称相互作用。二体界面形成了一个“碗状”的空腔，为两个亚基向胞外侧释放生长素提供了足够的空间（图2a）。基于结构比较和分析（图2b），研究人员提出了AtPIN3转运生长素的类电梯（elevator-like）模型（图2c），即在运输过程中，二体中参与二聚化的支架结构域不动，而两侧的转运结构域上下运动，将生长素从细胞质基质侧转运至细胞外。
本研究系统性地解析了AtPIN3在apo状态、底物（IAA）结合状态以及抑制剂（NPA）结合状态下的高分率结构，揭示了AtPIN3的结构、IAA识别机制以及NPA抑制的分子机制（图2c），将有力促进对PIN介导的生长素运输分子机制的理解，为靶向该转运体的创新农药研发打下基础。
图2. AtPIN3转运生长素分子机制。a. AtPIN3二聚化界面。b. AtPIN3apo和AtPIN3IAA结构比较。c. AtPIN3转运生长素IAA和NPA抑制AtPIN3活性的分子机制模型。
该工作是由浙江大学、湖北大学和天津大学的多个实验室联合完成（图3）。浙江大学郭江涛组博士后苏楠楠、杨帆组博士生竺爱琴和湖北大学生命科学学院吴姗组博士生陶鑫为论文的共同第一作者，郭江涛、吴姗和杨帆为共同通讯作者。参与这项工作的还有浙江大学生命科学学院郑绍建教授和丁忠杰研究员、浙江大学冷冻电镜中心常圣海老师、浙江大学农业与生物技术学院郭逸蓉老师和张素芬老师、天津大学生命科学学院叶升教授和湖北大学生命科学学院马立新教授。本研究受国家自然科学基金委、国家重点研发计划以及浙江省自然科学基金等资助。
图3. 浙江大学研究团队主要成员合影。前排左起：郭逸蓉、张素芬、张艳、苏楠楠、竺爱琴、杨帆；后排左起：周晨羽、叶繁、郑绍建、郭江涛、常圣海。
郭江涛实验室聚焦离子通道和转运蛋白介导的跨膜运输分子机制研究。自2018年在浙江大学医学院组建分子生理与生物物理学实验室年以来，郭江涛实验室在钾氯共转运蛋白KCC、钾通道、双孔通道TPC、TRP通道以及植物离子通道和转运蛋白方面取得了系列研究成果，相关工作发表在Science（2019）, Nature（2022）, Cell Research（2021，2022a，2022b）, PNAS（2021）, Science Advances（2020）, Nature Communications（2022）等杂志上。
