近日，湖北洪山实验室、作物遗传改良国家重点实验室、生命科学技术学院的蛋白质科学研究团队蛋白质动态学课题组在Nature Communications杂志在线发表题为“Mechanistic insights into the regulation of plant phosphate homeostasis by the rice SPX2 – PHR2 complex”的研究论文，揭示了水稻SPX2– PHR2复合物感知磷信号、调控磷稳态的分子机制。
磷是影响生命体生长发育、决定作物产量的重要营养元素。农业生产上，为了增产，磷肥的过度使用引发了系列环境问题。研究作物的磷稳态维持机制，具有重要的理论与实践意义。已有研究表明：低磷条件下，水稻磷稳态调控的核心转录因子–PHR2通过二聚化结合顺式调控元件（P1BS），激活一系列磷饥饿响应基因的表达，促进磷的吸收与利用；高磷条件下，SPX2蛋白感知磷信号，进而结合并抑制PHR2的转录活性，维持磷稳态，避免磷中毒。但SPX2如何感知和传递磷信号的具体分子机制，尚不清楚。
动态学题组采用整合结构生物学策略，联用多种生物物理技术手段，综合结构基础与动态分析，揭示了SPX2受体感受磷信号分子–磷酸肌醇（InsP6）、传递磷信号进而调控水稻磷稳态的分子机制： SPX2通过寡聚状态的动态变化，以独特的结构域交互构象感知InsP6信号，并以dimer of dimer的方式结合PHR2；这种独特的结合方式，空间排斥了PHR2结合PIBS，并打破了PHR2的二聚化，进而抑制PHR2的转录活性，维持磷稳态。该研究从机制上阐明了水稻磷动态平衡的分子基础，对水稻农艺性状的遗传改良和合理施肥具有指导意义，为因地制宜的选育不同磷酸盐吸收能力的水稻品种提供了重要参考。
生科院官泽源博士、张群霞博士和张治飞同学为该论文共同第一作者，刘主教授为该论文通讯作者。华中农业大学校级蛋白质平台为该研究提供了强有力的支持，样品的衍射和散射数据在上海同步辐射光源收集。该研究受到了科技部、国家自然科学基金委、校自主创新基金的资助。官泽源博士特别感谢博士后创新人才计划、博士后面上基金、生科院博士后百川计划的支持。
【英文摘要】
Phosphate （Pi） starvation response （PHR） transcription factors play key roles in plant Pi homeostasis maintenance. They are negatively regulated by stand-alone SPX proteins, cellular receptors for inositol pyrophosphate （PP-InsP） nutrient messengers. How PP-InsP-bound SPX interacts with PHRs is poorly understood. Here, we report crystal structures of the rice SPX2/InsP6/PHR2 complex and of the PHR2 DNA binding （MYB） domain in complex with target DNA at resolutions of 3.1?? and 2.7??, respectively. In the SPX2/InsP6/PHR2 complex, the signalling-active SPX2 assembles into a domain-swapped dimer conformation and binds two copies of PHR2, targeting both its coiled-coil （CC） oligomerisation domain and MYB domain. Our results reveal that the SPX2 senses PP-InsPs to inactivate PHR2 by establishing severe steric clashes with the PHR2 MYB domain, preventing DNA binding, and by disrupting oligomerisation of the PHR2 CC domain, attenuating promoter binding. Our findings rationalize how PP-InsPs activate SPX receptor proteins to target PHR family transcription factors.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29275-8
