Science子刊发现植物中糖信号传导机制

发表在《科学进展》杂志上的一篇论文描述了一种特定植物蛋白的活动部分是如何控制植物是否能够生长和生产能源密集型产品(如石油)的，或者是如何采取一系列措施来保护宝贵的资源。这项研究特别关注的是这种分子机制是如何受到一种分子的调节的，这种分子会随着糖(植物的主要能量来源)的水平而升降。

　　

蛋白质是分子机器，有可弯曲的部分和可移动的部分。了解这些部分是如何运动的，有助于科学家揭示蛋白质在生物体内的功能，以及如何改变其作用。美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的生化学家和能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL)的同事们刚刚发表了一个关于这种分子机器如何工作的新例子。

他们在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表的论文描述了一种特定植物蛋白的活动部分是如何控制植物是否能够生长和生产能源密集型产品(如石油)的，或者是如何采取一系列措施来保护宝贵的资源。这项研究特别关注的是这种分子机制是如何受到一种分子的调节的，这种分子会随着糖(植物的主要能量来源)的水平而升降。

布鲁克海文实验室的生物化学家Jantana Blanford是这项研究的主要作者，他说:“这篇论文揭示了告诉植物细胞‘我们有很多糖’的详细机制，然后揭示了信号如何影响触发植物生长和石油生产等过程的生化途径。”

这项研究建立在布鲁克海文团队早期工作的基础上，他们发现了植物中糖水平和油脂生产之间的分子联系。这项研究的一个潜在目标是确定特定的蛋白质——以及蛋白质的某些部分——科学家可以通过改造使植物生产更多的油，用于生物燃料或其他以石油为基础的产品。

“正如这项新研究所做的那样，准确地确定这些分子和蛋白质是如何相互作用的，使我们更接近于确定我们如何设计这些蛋白质来增加植物油产量。”

解开分子相互作用

该团队使用实验室实验和计算模型相结合的方法来研究作为糖代理的分子如何与称为KIN10的“传感器激酶”结合。KIN10是一种包含决定生化途径开启或关闭的活动部分的蛋白质。

科学家们已经知道，KIN10既是一个糖传感器，也是一个开关:当糖水平低时，KIN10与另一种蛋白质相互作用，引发一系列反应，最终停止石油生产，分解富含能量的分子，如油和淀粉，产生能量，为细胞提供动力。但当糖含量高时，KIN10的关闭功能被关闭，这意味着植物可以生长，并利用丰富的能量制造大量的油和其他产品。

但是与KIN10结合的糖代理是如何开启开关的呢?

为了找到答案，布兰福德从“异性相吸”这句谚语开始。她确定了KIN10的三个带正电荷的部分，它们可能被糖代理分子上大量的负电荷所吸引。一个基于实验室的消除过程，涉及KIN10的变异与这些位点的修饰，确定了一个真正的结合位点。

然后，布鲁克海文的团队求助于PNNL的计算同事。

PNNL的Marcel Baer和Simone Raugei在原子水平上研究了糖代理和KIN10是如何结合在一起的。

Baer说:“通过使用多尺度模型，我们观察到蛋白质可以以多种构象存在，但只有一种构象可以有效地结合糖代理。”

PNNL模拟确定了蛋白质中控制糖结合的关键氨基酸。这些计算上的见解随后得到了实验的证实。

实验和计算信息的结合帮助科学家了解与糖代理的相互作用如何直接影响KIN10的下游作用。

拨动开关

“进一步的分析表明，除了一个长而灵活的环外，整个KIN10分子都是刚性的，”Shanklin说。这些模型还表明，KIN10环的灵活性使其能够与一种激活蛋白相互作用，从而引发一系列反应，最终停止石油生产和植物生长。

当糖水平较低且糖代分子较少时，该循环保持灵活，关闭机制可以减少植物生长和产油量。尚克林说，这对保护宝贵的资源是有意义的。

但当糖水平高时，糖代理会与KIN10紧密结合。

布兰福德说:“计算表明，这种小分子是如何阻止环的摆动，并防止它触发关闭级联的。”

再一次，这是有道理的，因为丰富的糖可用于植物制造油。

现在科学家们有了这些详细的信息，他们会如何使用这些信息呢?

Shanklin说:“我们可以利用我们的新知识来设计KIN10，改变糖代理的结合强度，改变植物制造油和分解物质的设定点。”