控制植物钾离子流向的新机制

       国际著名学术刊物美国《国家科学院院刊》(PNAS)已接收并将于2月26日发表首都师范大学为第一完成单位、由该校生命科学学院李乐攻教授主持设计的关于钾通道方向调控的最新研究成果：《单个氨基酸残基偶联突变改变植物钾离子通道的整流方向》一文。
 
       据介绍，由于当前全球范围内土壤过度使用，造成土壤有效成分不断减少、盐碱化程度严重，植物离子营养的循环利用和作物耐盐调控机制的研究至关重要。钾是植物生长发育必不可少的元素，而高钠离子则是影响植物生长发育的主要毒性，也是导致作物产量下降的主要原因。离子的流向既决定了钾营养循环利用的效率，也调控了高钠离子的毒害。目前，承担离子转运的许多分子已被鉴定和分离，但是运输的方向是如何被调控的还不为所知，这是长期以来生物学家关注的基本问题。
 
       2月26日发表的这篇得到了中国国家自然科学基金资助的文章，是目前全世界关于钾通道方向调控的最新研究成果。研究人员通过电压钳、巨大膜片钳、DNAShuffling等技术，以植物钾通道为研究对象，发现了控制通道流向转换的分子偶联机制，揭示了同一离子通道将离子由外流转为内流的秘密。这对于理解和提高农作物对抗土壤盐碱化、促进作物营养循环利用具有重要意义，继续深入，将更清楚地理解离子转运的复杂网络调控。
 
       这一创新性成果，不仅发现了控制植物钾离子流向的新机制，也为其它离子的流向控制提供了可供借鉴的调控模式。《美国国家科学院院刊》审稿人指出，“这是一项杰出而完整的工作，设计新颖，其结果具有普遍的生物学指导意义，提供了研究阳离子通道结构和构象变化的重要信息，揭示了通道分子可能的进化方式”。因为整流控制是离子通道的一个基本的特征，整流功能异常会导致多种疾病，这一工作也将为此类疾病的防治提供新的思路。
 
（《国家科学院院刊》(PNAS)，10.1073/pnas.0712349105，Legong Li, Sheng Luan）

原文：

Published online on February 19, 2008
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0712349105

 Single mutations convert an outward K+ channel into an inward K+ channel

Legong Li*,, Kun Liu, Yong Hu*, Dongping Li, and Sheng Luan,

*College of Life Sciences, Capital Normal University, Beijing 100037, China; Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA 94720; and College of Life Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410006, China

Communicated by Bob B. Buchanan, University of California, Berkeley, CA, December 29, 2007 (received for review October 1, 2007)

Abstract

Shaker-type K+ channels in plants display distinct voltage-sensing properties despite sharing sequence and structural similarity. For example, an Arabidopsis K+ channel (SKOR) and a tomato K+ channel (LKT1) share high amino acid sequence similarity and identical domain structures; however, SKOR conducts outward K+ current and is activated by positive membrane potentials (depolarization), whereas LKT1 conducts inward current and is activated by negative membrane potentials (hyperpolarization). The structural basis for the "opposite" voltage-sensing properties of SKOR and LKT1 remains unknown. Using a screening procedure combined with random mutagenesis, we identified in the SKOR channel single amino acid mutations that converted an outward-conducting channel into an inward-conducting channel. Further domain-swapping and random mutagenesis produced similar results, suggesting functional interactions between several regions of SKOR protein that lead to specific voltage-sensing properties. Dramatic changes in rectifying properties can be caused by single amino acid mutations, providing evidence that the inward and outward channels in the Shaker family from plants may derive from the same ancestor.

 Arabidopsis | ion channels | voltage-gating | DNA shuffling | mutagenesis