植酸，又稱為肌醇六磷酸（InsP6，Inositol hexaphosphate），是植物種子及營(yíng)養(yǎng)組織有機(jī)磷的主要儲(chǔ)存形式，主要儲(chǔ)存于植物液泡中。它不僅作為核心磷庫(kù)維持植物體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)，還承擔(dān)著關(guān)鍵信號(hào)分子的角色，廣泛調(diào)控植物逆境脅迫響應(yīng)、激素信號(hào)傳導(dǎo)及種子萌發(fā)等多種重要生理過程。然而，InsP6在膳食中存在明顯的“抗?fàn)I養(yǎng)”特性：人類等單胃動(dòng)物的胃腸道缺乏分解InsP6的特異性酶，導(dǎo)致植物來源的InsP6難以被代謝吸收；同時(shí)，InsP6易與金屬陽(yáng)離子螯合，過量攝入會(huì)進(jìn)一步阻礙人體對(duì)礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收，增加微量元素缺乏的風(fēng)險(xiǎn)。此外，食物中未被吸收的InsP6會(huì)隨糞便排出，其釋放的磷可導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此植物中的InsP6通常被認(rèn)定為一種抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)。

在水稻中，OsMRP5（multidrug resistance-associated protein 5，又稱為OsABCC13），是已知唯一負(fù)責(zé)將InsP6靶向轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡積累的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。它屬于ABC（ATP結(jié)合盒）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族成員，通過水解ATP提供能量進(jìn)行底物轉(zhuǎn)運(yùn)。該蛋白的序列和功能在植物中高度保守。自首個(gè)MRP類型InsP6轉(zhuǎn)運(yùn)體鑒定以來，近30年間，科研人員陸續(xù)在多種作物中發(fā)現(xiàn)了MRP類型InsP6轉(zhuǎn)運(yùn)體，為培育低植酸（lpa）作物提供了重要靶點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制仍不清楚，阻礙了對(duì)低植酸作物的開發(fā)。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉主教授課題組在The Plant Cell在線發(fā)表了題為Cryo-EM structures of Oryza sativa MRP5 reveal a phytate accumulation mechanism in plant vacuoles的研究論文。該研究綜合運(yùn)用冷凍電鏡（cryo-EM）、微量熱泳動(dòng)（MST）、自適應(yīng)牽引分子動(dòng)力學(xué)（ASMD）模擬、分子對(duì)接（MD）等技術(shù)，系統(tǒng)且深入揭示了OsMRP5識(shí)別并轉(zhuǎn)運(yùn)InsP6的分子機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)首先建立了基于蛋白脂質(zhì)體的生化體系，成功檢測(cè)到OsMRP5的體外InsP6轉(zhuǎn)運(yùn)活性?；贏TP酶活性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，InsP6能顯著促進(jìn)OsMRP5蛋白的ATP水解活性。運(yùn)用Cryo-EM技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)解析了OsMRP5結(jié)合InsP6多種狀態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，OsMRP5通過兩種性質(zhì)不同的極性口袋結(jié)合InsP6：一個(gè)主要由正電荷氨基酸殘基組成的“P口袋（正電荷口袋）”和一個(gè)由極性氨基酸殘基組成的“H口袋（極性口袋）”。這種結(jié)合方式不同于其他ABCC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合兩親性底物的兩親性口袋。研究團(tuán)隊(duì)揭示了一系列參與InsP6結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，這些位點(diǎn)在植物中100%保守。

一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，OsMRP5底物結(jié)合口袋上方存在一段正電荷通道。研究者通過ASMD模擬技術(shù)可視化模擬了底物易位路徑，并結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該通道正是驅(qū)動(dòng)強(qiáng)負(fù)電荷的InsP6底物向液泡側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的易位路徑。

基于底物結(jié)合口袋及易位通道的獨(dú)特性質(zhì)，研究者利用MST、體外轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)、ATP水解活性實(shí)驗(yàn)，深入分析了OsMRP5的底物特異性。結(jié)果表明，與InsP4、InsP5相比，OsMRP5蛋白對(duì)InsP6具有更強(qiáng)的親和力（Kd ≈ 16 μM）與特異性，提示OsMRP5可能具備識(shí)別和轉(zhuǎn)運(yùn)多種肌醇磷酸的能力，為后續(xù)深入研究其功能多樣性提供了重要線索。

此外，通過對(duì)低植酸作物相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)研，研究團(tuán)隊(duì)將多種作物中導(dǎo)致低植酸表型的突變位點(diǎn)映射到OsMRP5蛋白結(jié)構(gòu)上，確認(rèn)了這些位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)保守性，并通過ATP酶活性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它們對(duì)OsMRP5轉(zhuǎn)運(yùn)功能的關(guān)鍵作用。

綜上，該研究通過冷凍電鏡技術(shù)，結(jié)合生化分析，揭示了OsMRP5轉(zhuǎn)運(yùn)InsP6的分子機(jī)制。該研究不僅豐富了對(duì)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)強(qiáng)負(fù)電荷底物機(jī)制的理解，更重要的是，為未來更精準(zhǔn)、高效地開展低植酸作物分子育種奠定了堅(jiān)實(shí)的分子理論基礎(chǔ)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生左佳琦、張杰和碩士生唐穎為論文共同第一作者。劉主教授為論文共同通訊作者。廣州實(shí)驗(yàn)室冷凍電鏡中心和武漢大學(xué)大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了重要支撐和幫助，研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文連接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag088