拟南芥乙烯受体ETR1的乙烯结合与抑制机制研究

The plant hormone ethylene is involved in many physiological processes, including plant growth, development and senescence. This role of ethylene is particularly important from both ecological and agricultural point of views. Plant ethylene responses are mediated by a family of receptors, including ETR1, ETR2, ERS1, ERS2, EIN4, which have been identified in Arabidopsis model plant. ETR1, which has been studied in detail, plays negative roles in ethylene signaling pathway. The N-terminal transmembrane domains of ETR1 are responsible for ethylene binding and membrane localization. Ag+ and some gas molecules have been reported to inhibit the ethylene signaling. Little structural information is available on the signaling proteins, especially how ethylene induces the changes in recognition domains remain largely mysterious. Here we propose a detailed study to determine the ethylene binding of ETR1 and the inhibition mechanism of blockers. Our research will provide valuable knowledge to decipher the molecular mechanism of ethylene responses by ETR1.

植物激素乙烯参与调控植物生长发育的大部分过程，对生态和农业具有重要意义。乙烯对植物生理过程的调控是由乙烯受体家族来感应的。研究发现，在模式植物拟南芥中，存在五种乙烯受体蛋白ETR1、ETR2、ERS1、ERS2与EIN4。通过对ETR1的深入研究，人们发现ETR1是个负调控乙烯响应的受体。其中N端的跨膜区域对乙烯的结合以及ETR1的膜定位都非常重要。 银离子和一些气体分子可以结合ETR1，抑制乙烯的信号转导过程。目前关于ETR1的结构报道非常少，尤其是乙烯结合结构域的研究仍是一片空白。本项目中我们将依赖上海同步辐射光源的小角散射线站，利用小角散射数据来提供蛋白整体结构的空间约束，结合核磁共振技术解析ETR1乙烯结合结构域的结构，并进一步研究ETR1的乙烯结合机制和抑制机理，增强我们对乙烯受体激活-失活作用的系统性认识。

利用液体NMR技术在膜蛋白的结构解析过程中，往往在蛋白质的局部结构上可以比较精准，但对蛋白质整体结构的解析存在着一定的困难，因为缺乏足够的空间约束，容易造成结构的失真。为解决这个瓶颈问题，本项目致力于将小角x射线散射（SAXS）结合NMR数据，有效地改善NMR结构的质量和准确性，以弥补核磁共振数据分子整体结构信息的不完整。通过将模式蛋白构建在nanodisc中，发展和完善光源线站 SAXS 技术。我们首先采用了刚体建模的数据拟合方法构建出了空载体（empty nanodisc）的三维结构，然后基于模式蛋白DGKA的晶体结构（PDB：3ZE4），结合组装在nanodisc体系中的DGKA的SAXS散射信号，开展了三维结构重构相关计算方法的程序开发工作，获得了DGKA的三维预测模型。本项目还通过对乙烯受体ETR1的蛋白构建、融合标签、纯化方法和变复性条件等进行大量筛选，获得了表达量高、纯度高的ETR1蛋白，然而 ETR1的疏水性非常强，只能在有机溶剂中获得高质量的核磁谱图。因此我们进一步筛选了其它的膜蛋白如TMCO1和MCU等，来开发SAXS和NMR技术联用在膜蛋白结构解析上的应用。当前实验结果已经基本完成了项目的预期计划。目前已发表2篇SCI论文，完成情况良好。