淀粉是一类重要的多聚糖分子，是人类膳食重要的能量来源。淀粉以致密的半结晶颗粒广泛分布于植物的各种组织器官，包括种子、块茎、块根以及叶片等。在植物叶片中，淀粉是叶绿体光合固碳的主要产物。淀粉通过一系列酶促反应可分解为葡萄糖和麦芽糖，为植物生长发育以及逆境胁迫提供源源不断的能量，而淀粉分解异常会引起植物生长发育障碍。淀粉分解包括磷酸化，去磷酸化，以及水解等众多过程，由一系列蛋白酶如葡聚糖磷酸化酶，b淀粉酶等参与其中，然而其调控机制仍不清楚。
在本研究中，研究团队通过体外重组，发现葡聚糖磷酸化酶LSF1和苹果酸脱氢酶MDH形成二元复合物，进而招募b淀粉酶BAM1形成三元复合物。相较于BAM1单体，BAM1-LSF1-MDH复合物展现出显著提高的淀粉降解活性。LSF1是一个没有活性的葡聚糖磷酸酶，但在淀粉降解中发挥关键作用。LSF1由多个结构域组成，包括N端的PDZ和BMI结构域，以及C端的DSP和CBM结构域，暗示LSF1在淀粉降解中可能发挥非磷酸酶功能。MDH具有苹果酸脱氢酶活性，但其活性在淀粉降解中并不是必要的。
为了揭示LSF1和MDH调控淀粉降解的分子机制，研究团队解析了BAM1-LSF1-MDH复合物结构。发现LSF1葡聚糖磷酸化酶LSF1通过其N端的PDZ和BMI结构域介导了和BAM1-LSF1-MDH三元复合物的形成。生化活性分析表明LSF1 C端的磷酸酶结构域DSP以及碳水化合物结合结构域CBM对于复合物促进淀粉水解是必要的。为了揭示其中的分子奥秘，研究团队进一步利用交联质谱和分子对接，鉴定了DSP-CBM结构域在复合物中的位置，发现其锚定在b淀粉酶BAM1的催化口袋。通过一系列关键氨基酸的点突变活性验证，揭示了LSF1的DSP-CBM结构域在淀粉水解中发挥关键作用。
综合生化活性鉴定以及结构分析，研究团队提出了三元复合物发挥作用的分子模型：苹果酸脱氢酶MDH发挥分子伴侣的功能结合并稳定葡聚糖磷酸化酶失活的LSF1形成LSF1-MDH二元复合物；LSF1-MDH作为功能性支架，招募b淀粉酶BAM1形成三元复合物；LSF1通过N端PDZ-BMI介导三元复合物互作，通过C端DSP-CBM结合淀粉葡聚糖链，锚定在淀粉颗粒上，并将淀粉葡聚糖链呈递到b淀粉酶的催化口袋，从而促进对淀粉的降解。综上，本研究揭示了BAM1-LSF1-MDH三元复合物调控淀粉降解的新机制，为作物遗传改良提供了新见解。
生科院刘建博士、王雪翠博士生，官泽源博士为论文共同第一作者，闫俊杰研究员为论文通讯作者。华中农业大学校级蛋白质平台和电镜中心对该工作提供了帮助，中国科学技术大学冷冻电镜中心与高永翔博士为电镜数据收集提供了有力支撑。该研究得到了国家自然科学基金，湖北洪山实验室基金，中央高校基础科研项目，以及杂交水稻全国重点实验室开放课题等基金资助。
原文链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad259/7296042
2023年10月7日
来源：华南农业大学
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