拟南芥阳离子交换蛋白1（CAX1）的一个模块化片段揭示了其组装过程中的结构限制

《Plant Molecular Biology》：A modular fragment of Arabidopsis cation exchanger 1 (CAX1) reveals structural constraints on assembly

CAX1的功能依赖于拓扑结构和模块间相互作用，自抑制域促进单体二聚化，而TM1阻碍复合体组装。通过研究N端截短的?N-sCAX1，发现人工 tether酸性结构域或移除TM1可恢复部分钙转运活性，并需保守GNxxE motif对齐形成功能结合腔。揭示了钙转运体结构-功能关系及工程化设计原理。

　　

摘要

阳离子/H? 交换器（CAXs）负责将 Ca2? 移入液泡中，对维持植物细胞质中的 Ca2? 平衡至关重要。拟南芥中的 CAX1 属于 Ca2?/阳离子反向转运蛋白（CaCA）超家族，其结构具有模块化特征，由两个伪对称结构域组成，这两个结构域通过一个称为“酸性基序”的细胞质环连接。CAX1 还受到其 N 端自抑制结构域的调控。为了明确 CAX1 的功能结构基础，我们利用酵母互补实验、结构建模和蛋白质相互作用研究，分析了缺失自抑制结构域的 CAX1 N 端截短蛋白（?N-sCAX1）。研究发现，?N-sCAX1 单体能够形成稳定的结构，但无法与自身或全长 CAX1 发生相互作用，也无法发挥转运功能。要使其具备转运能力，需要通过酸性基序将两个 ?N-sCAX1 单体连接起来，或者去除 TM1 结构域；后者能够使酵母中的 Ca2? 转运功能部分恢复。蛋白质相互作用分析表明，自抑制结构域有助于 ?N-sCAX1 的二聚化，而 TM1 结构域则会干扰复合物的形成。结构模型显示，无论是通过人工连接还是可能的六聚体组装，?N-sCAX1 单体中保守的 GNxxE 基序的正确排列对于重构功能性 Ca2? 结合位点至关重要。这些结果表明，CAX1 的功能依赖于特定的拓扑结构和模块间的相互作用，这些因素共同决定了其结构单元的组装方式。我们的研究揭示了 TM1 和自抑制结构域等结构特征如何调控转运蛋白的组装与活性，为理解 CaCA 超家族的生物学机制提供了见解，并为设计具有定制功能特性的转运蛋白提供了理论基础。

阳离子/H? 交换器（CAXs）在植物中负责将 Ca2? 移入液泡中，对维持细胞质中的 Ca2? 平衡起着关键作用。拟南芥中的 CAX1 属于 Ca2?/阳离子反向转运蛋白（CaCA）超家族，其结构具有模块化特征，由两个伪对称结构域组成，这两个结构域通过一个称为“酸性基序”的细胞质环连接。CAX1 还受到其 N 端自抑制结构域的调控。为了明确 CAX1 的功能结构基础，我们利用酵母互补实验、结构建模和蛋白质相互作用研究，分析了缺失自抑制结构域的 CAX1 N 端截短蛋白（?N-sCAX1）。研究发现，?N-sCAX1 单体能够形成稳定的结构，但无法与自身或全长 CAX1 发生相互作用，也无法发挥转运功能。要使其具备转运能力，需要通过酸性基序将两个 ?N-sCAX1 单体连接起来，或者去除 TM1 结构域；后者能够使酵母中的 Ca2? 转运功能部分恢复。蛋白质相互作用分析表明，自抑制结构域有助于 ?N-sCAX1 的二聚化，而 TM1 结构域则会干扰复合物的形成。结构模型显示，无论是通过人工连接还是可能的六聚体组装，?N-sCAX1 单体中保守的 GNxxE 基序的正确排列对于重构功能性 Ca2? 结合位点至关重要。这些结果表明，CAX1 的功能依赖于特定的拓扑结构和模块间的相互作用，这些因素共同决定了其结构单元的组装方式。我们的研究揭示了 TM1 和自抑制结构域等结构特征如何调控转运蛋白的组装与活性，为理解 CaCA 超家族的生物学机制提供了见解，并为设计具有定制功能特性的转运蛋白提供了理论基础。