淀粉是一類重要的多聚糖分子，是人類膳食重要的能量來源。淀粉以致密的半結(jié)晶顆粒廣泛分布于植物的各種組織器官，包括種子、塊莖、塊根以及葉片等。在植物葉片中，淀粉是葉綠體光合固碳的主要產(chǎn)物。淀粉通過一系列酶促反應(yīng)可分解為葡萄糖和麥芽糖，為植物生長發(fā)育以及逆境脅迫提供源源不斷的能量，而淀粉分解異常會引起植物生長發(fā)育障礙。淀粉分解包括磷酸化，去磷酸化，以及水解等眾多過程，由一系列蛋白酶如葡聚糖磷酸化酶，b淀粉酶等參與其中，然而其調(diào)控機(jī)制仍不清楚。

 

　　在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過體外重組，發(fā)現(xiàn)葡聚糖磷酸化酶LSF1和蘋果酸脫氫酶MDH形成二元復(fù)合物，進(jìn)而招募b淀粉酶BAM1形成三元復(fù)合物。相較于BAM1單體，BAM1-LSF1-MDH復(fù)合物展現(xiàn)出顯著提高的淀粉降解活性。LSF1是一個沒有活性的葡聚糖磷酸酶，但在淀粉降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。LSF1由多個結(jié)構(gòu)域組成，包括N端的PDZ和BMI結(jié)構(gòu)域，以及C端的DSP和CBM結(jié)構(gòu)域，暗示LSF1在淀粉降解中可能發(fā)揮非磷酸酶功能。MDH具有蘋果酸脫氫酶活性，但其活性在淀粉降解中并不是必要的。

 

　　為了揭示LSF1和MDH調(diào)控淀粉降解的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)解析了BAM1-LSF1-MDH復(fù)合物結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)LSF1葡聚糖磷酸化酶LSF1通過其N端的PDZ和BMI結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了和BAM1-LSF1-MDH三元復(fù)合物的形成。生化活性分析表明LSF1 C端的磷酸酶結(jié)構(gòu)域DSP以及碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域CBM對于復(fù)合物促進(jìn)淀粉水解是必要的。為了揭示其中的分子奧秘，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用交聯(lián)質(zhì)譜和分子對接，鑒定了DSP-CBM結(jié)構(gòu)域在復(fù)合物中的位置，發(fā)現(xiàn)其錨定在b淀粉酶BAM1的催化口袋。通過一系列關(guān)鍵氨基酸的點(diǎn)突變活性驗(yàn)證，揭示了LSF1的DSP-CBM結(jié)構(gòu)域在淀粉水解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 

　　綜合生化活性鑒定以及結(jié)構(gòu)分析，研究團(tuán)隊(duì)提出了三元復(fù)合物發(fā)揮作用的分子模型：蘋果酸脫氫酶MDH發(fā)揮分子伴侶的功能結(jié)合并穩(wěn)定葡聚糖磷酸化酶失活的LSF1形成LSF1-MDH二元復(fù)合物；LSF1-MDH作為功能性支架，招募b淀粉酶BAM1形成三元復(fù)合物；LSF1通過N端PDZ-BMI介導(dǎo)三元復(fù)合物互作，通過C端DSP-CBM結(jié)合淀粉葡聚糖鏈，錨定在淀粉顆粒上，并將淀粉葡聚糖鏈呈遞到b淀粉酶的催化口袋，從而促進(jìn)對淀粉的降解。綜上，本研究揭示了BAM1-LSF1-MDH三元復(fù)合物調(diào)控淀粉降解的新機(jī)制，為作物遺傳改良提供了新見解。

 

　　生科院劉建博士、王雪翠博士生，官澤源博士為論文共同第一作者，閆俊杰研究員為論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校級蛋白質(zhì)平臺和電鏡中心對該工作提供了幫助，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心與高永翔博士為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了有力支撐。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，湖北洪山實(shí)驗(yàn)室基金，中央高?；A(chǔ)科研項(xiàng)目，以及雜交水稻全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等基金資助。

 

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad259/7296042