Структура и механизм связывания сахарозы растительного транспортера сахарозы SUC1

Природные растения (2023)Цитировать эту статью

2312 Доступов

1 Цитаты

42 Альтметрика

Подробности о метриках

Импорт сахарозы из фотосинтетических тканей во флоэму опосредован транспортерами из семейства низкоаффинных транспортеров сахарозы (семейство SUC/SUT). Более того, перераспределение сахарозы в другие ткани обусловлено движением флоэмного сока, продукта высокого тургорного давления, создаваемого этой импортной активностью. Кроме того, от этого активного транспорта сахарозы также зависят органы поглощения, такие как фрукты, злаки и семена, которые накапливают высокие концентрации сахара. Здесь мы представляем структуру симпортера сахарозы-протона Arabidopsis thaliana SUC1 во внешней открытой конформации с разрешением 2,7 Å, а также молекулярно-динамическое моделирование и биохимическую характеристику. Мы идентифицируем ключевой кислотный остаток, необходимый для протонно-зависимого поглощения сахарозы, и описываем, как сильно связаны протонирование и связывание сахарозы. Связывание сахарозы представляет собой двухэтапный процесс, первоначальное распознавание которого опосредовано связыванием глюкозильного фрагмента непосредственно с ключевым кислотным остатком в строгой зависимости от pH. Наши результаты объясняют, как в растениях достигается транспорт сахарозы с низким сродством, и определяют ряд связывающих SUC, которые помогают определить селективность. Наши данные демонстрируют новый способ симпорта, управляемого протонами, со связью с симпортом, управляемым катионами, и предоставляют широкую модель общего транспорта с низким сродством в высокообогащенных субстратных средах.

Сахароза необходима для роста и развития растений, выступая в качестве центрального метаболита растений с дополнительной сопутствующей ролью сигнальной молекулы1,2,3. У большинства видов растений сахароза является основной формой ассимилированного углерода, образующегося в процессе фотосинтеза. Распределение сахарозы на большие расстояния от зеленых тканей-источников, обычно листьев, к энергопотребляющим тканям-поглотителям опосредовано флоэмой4. Здесь центральную роль играют транспортеры сахара из двух семейств: семейства транспортеров сахарозы (названного семейством SUT/SUC) и семейства SWEET5,6,7,8. В то время как SWEET способствует оттоку сахаров, активная нагрузка зависит от SUC, которые используют движущую силу протонов плазматической мембраны, чтобы стимулировать поглощение сахарозы для накопления, при этом концентрации во флоэме достигают 1,3 моля9,10,11,12,13,14. Движение сока флоэмы является продуктом высокого тургорного давления, создаваемого этой активностью SUC6,15. Кроме того, органы-поглотители, такие как фрукты и семена, которые накапливают высокие концентрации сахара на стадиях развития, также зависят от активного транспорта сахарозы с помощью SUC15,16.

SUC являются частью семейства гликозид-пентозид-гексуронидов (GPH): катион-симпортеров, которое принадлежит к суперсемейству основных фасилитаторов (MFS)17,18. Известно, что члены семейства GPH транспортируют широкий спектр субстратов, от небольших растворимых молекул, таких как глюкоза, мелибиоза или сахароза, до крупных амфифильных лизолипидов, обычно связанных с транспортом моновалентных катионов19,20,21. SUC занимают уникальное положение в разнообразном семействе GPH, поскольку являются протон-связанными переносчиками и имеют очень низкую идентичность последовательностей с другими известными ветвями (<16%).

Несмотря на их ключевую роль в фундаментальных процессах физиологии растений, механизм работы СУК остается неизвестным. Неясно, как SUC распознают сахарозу и как осуществляется транспорт протонов. Обладая способностью высвобождать сахарозу в среду с чрезвычайно высокими концентрациями сахарозы, сайт связывания сахарозы должен иметь уникальные особенности; действительно, его связь с движущим протонным градиентом должна быть тесной и хорошо скоординированной. Arabidopsis thaliana имеет девять транспортеров SUC (SUC1–9), причем SUC1 является одним из первых идентифицированных симпортеров сахарозы-H+ (расширенные данные, рис. 1)22,23,24,25,26,27,28. SUC1 преимущественно экспрессируется в репродуктивных органах, трихомах и корнях, где он локализуется в плазматической мембране и необходим для правильного функционирования пыльцы24,29,30,31,32,33.

Здесь мы представляем структуру A. thaliana SUC1, а также всестороннюю биохимическую характеристику и моделирование молекулярной динамики (МД). Наша работа выявляет элементы, ключевые для понимания протон-связанного транспорта сахарозы, объясняя распознавание субстрата и то, как протоны напрямую связаны с транспортом сахарозы с помощью уникального механизма. Этот механизм позволяет связывать и высвобождать сахарозу в средах с высокими молярными концентрациями сахарозы, что жизненно важно для правильного функционирования флоэмы, транспорта в апопластически изолированные ткани и роста растений.