Auxin ist das wichtigste Hormon in Pflanzen. Es wird hauptsächlich in Keimblättern, jungen Blättern und anderen wachsenden Geweben synthetisiert und über polaren Transport zu Zielorten transportiert, um die Pflanzenentwicklung und das Pflanzenwachstum zu regulieren. Wie wird dieser polare Auxintransport (PAT) erreicht?
Kürzlich hat das gemeinsame Team der Universität Zhejiang und der Universität Hubei unter der Leitung von Dr. Guo Jiangtao von der Zhejiang University School of Medicine die molekularen Mechanismen des Auxin-Transporters PIN-FORMED (PIN) ausgearbeitet. Ihre Studie wurde online in der Zeitschrift veröffentlicht Natur am 2. August. Als großer Durchbruch in der Untersuchung von PAT haben ihre Ergebnisse eine harte Nuss in Bezug auf den Phototropismus geknackt und damit eine solide Grundlage für die weitere Regulierung von PAT gelegt.
Im späten 19. Jahrhundert entdeckte Charles Darwin, ein berühmter britischer Biologe, der die Evolutionstheorie entwickelte, dass die Spitze der Koleoptile, wenn sie unidirektionalem Licht ausgesetzt war, einen gewissen „Einfluss“ auf die darunter liegende Elongationszone übertragen würde, was die schattierte Seite verursachte der Dehnungszone schneller wachsen als die Sonnenseite. Die Pflanze endete mit einer Krümmung zum Licht. 1928 bestätigte Frits Warmolt Went, ein niederländischer Biologe, dass der Phototropismus durch eine spezielle Art von chemischer Verbindung ausgelöst wird, und bezeichnete sie als Auxin. Indol-3-Essigsäure (IAA) wurde erst 1946 aus höheren Pflanzen isoliert.
Folgestudien zeigten, dass Auxin nicht nur mit Phototropismus, sondern auch mit Gravitropismus und Chemotropismus zusammenhängt. Die Reaktion oder Orientierung einer Pflanze auf einen Reiz, der aus einer Richtung stärker als aus der anderen wirkt, wird als Tropismus bezeichnet. Dieser Tropismus wird hauptsächlich durch die polare Verteilung von Auxin in Pflanzen verursacht. Daher spielt PAT in diesem Prozess eine zentrale Rolle.
PAT hängt stark von drei Auxin-Transportern ab: PIN-FORMED (PIN), Auxin-Transporter-Protein 1 (AUX1) und ATP-Bindungskassetten (ABC)-Transporter, unter denen PINs den wichtigsten Teil dieses PAT-Systems darstellen. Die pin-Mutante ist durch PAT-Defekte wie beeinträchtigten Phototropismus und Gravitropismus gekennzeichnet. Allerdings ist wenig darüber bekannt, wie PINs den Ausfluss von Auxin vermitteln.
Guo Jiangtaoet al. bestimmten die Kryo-EM-Strukturen von Arabidopsis thaliana PIN3 (AtPIN3) im Apo-Zustand (AtPIN3apo) und im IAA-gebundenen Zustand (AtPIN3IAA). AtPIN3 existiert als Homodimer. In jeder Untereinheit enthält AtPIN3 10 Transmembranhelices (TM1-10) und TM1-5 und TM6-10 sind invertierte Strukturwiederholungen. AtPIN3apo und AtPIN3IAA sind einander in der Struktur und in einer nach innen gerichteten Konformation ähnlich. AtPIN3 besteht aus der Gerüstdomäne und der Transportdomäne. In AtPIN3IAA bindet IAA in einer nach innen gerichteten Tasche zwischen der Gerüstdomäne und der Transportdomäne und hat Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen mit mehreren konservierten Aminosäureresten.
Um den Bindungsmodus von IAA und AtPIN3 zu validieren, etablierten Dr. Guo und seine Kollegen einen In-vitro-Transporttest für radioaktiv markierte 3H-IAA. Im Vergleich zu AtPIN3 vom Wildtyp (WT) zeigten Mutanten eine reduzierte 3H-markierte IAA-Efflux-Aktivität. Die Dissoziationskonstanten KD für die an WT-AtPIN3 gebundene IAA und mutierte AtPIN3 wurden durch die Oberflächenplasmonenresonanz gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass WT AtPIN3 eine höhere Bindungsaffinität für IAA aufwies. Darüber hinaus haben Guo Jiangtao et al. verwendeten auch andere Methoden zur mehrfachen Verifizierung, wie z. B. Molekulardynamiksimulation und Strukturvergleich.
N-1-Naphthylphthalaminsäure (NPA) wurde als Inhibitor von Auxin-Transportern für die Untersuchung des PAT-Mechanismus verwendet. Mit NPA behandelte Pflanzen zeigen einen praktisch identischen Phänotyp zum pin1-1-Mutantenstamm. Die Ziele und Mechanismen von NPA sind seit langem umstritten.
Die Forscher analysierten die Struktur des AtPIN3-NPA-Komplexes (AtPIN3NPA) und fanden heraus, dass NPA mit einer höheren Affinität als IAA an die Substratbindungsstelle in AtPIN3 band. Daher wirkte NPA als kompetitiver Inhibitor, besetzte die Bindungsstelle des Substrats Auxin und hemmte mögliche Konformationsänderungen in PINs während des Transports. Auf dieser Grundlage schlug das Team von Dr. Guo den molekularen Mechanismus der NPA-Hemmung des PIN-vermittelten Auxintransports vor.
Diese Studie bietet nicht nur ein aufschlussreiches Verständnis des lang erwarteten molekularen Mechanismus des PIN-vermittelten Auxintransports, sondern eröffnet auch einen neuen Weg für die Entwicklung von PIN-Inhibitoren. Diese Inhibitoren können als nützliches Forschungswerkzeug in der PAT-Studie oder als wirksames Herbizid dienen.
Nannan Su et al, Strukturen und Mechanismen des Arabidopsis-Auxin-Transporters PIN3, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05142-w
Bereitgestellt von der Zhejiang-Universität