擬南芥COMATOSE（CTS，又稱AtABCD1、PAX1）屬于ABC轉運蛋白超家族ABCD亞家族，定位于植物過氧化物酶體膜上，是介導各類脂酰底物、激素前體及外源除草劑底物跨膜轉運的核心轉運蛋白，可將細胞質中的脂酰輔酶A、生長素前體等底物轉運至過氧化物酶體中完成β-氧化代謝。CTS蛋白功能缺陷會導致植物脂質代謝紊亂、種子萌發受阻、幼苗發育受損、側根生長異常，同時造成植物激素穩態失衡、抗逆能力下降，嚴重影響植物正常生長發育。作為植物中唯一的ABCD亞型過氧化物酶體轉運蛋白，CTS可覆蓋人類ABCD1/2/3的廣譜底物功能，廣泛參與植物脂質代謝、激素調控與外源異源物質代謝過程。過往研究已通過生理生化實驗證實CTS的廣譜底物轉運特性與重要生理功能，也明確了大量功能缺陷突變表型，但長期以來，CTS蛋白的高分辨率三維結構未知，其識別及轉運廣譜底物的分子機制始終缺乏清晰闡釋。

近日，中國科學技術大學陳宇星教授、侯文韜副教授課題組聯合團隊在Nature Communications上發表了題為Structural insights into Arabidopsis thaliana CTS-mediated fatty acid and hormone metabolism的研究論文，揭示了擬南芥CTS蛋白介導脂肪酸及激素代謝的分子機制。

該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術，成功解析了擬南芥CTS蛋白五種近原子分辨率三維結構，包含無配基結合狀態（apo-form）、ATP結合狀態，以及C12:0脂酰輔酶A、生長素前體IBA-CoA、除草劑前體2,4-DB-CoA三種底物結合狀態，整體分辨率分別為3.2 ?、3.2 ?、3.4 ?、3.2 ?和3.5 ?（圖1）。基于結構解析、生化實驗及植物轉基因表型驗證，作者完整闡明了CTS蛋白廣譜識別脂肪酸、內源激素前體及外源除草劑底物的分子機制，揭示了其整合植物脂質代謝、激素調控與外源物質代謝的核心分子原理。相關研究成果以為題于近日在線發表這是該團隊在報道人類ABCD1、ABCD3的結構和功能之后，對ABCD家族轉運脂肪酸的分子機制的進一步探索。

圖1. CTS的三維結構

結構分析表明，apo-form CTS結構呈現向細胞質基質閉合 (inward-occluded)的構象：兩個跨膜結構域(TMD)相互靠攏使得底物轉運腔閉合，而兩個核苷酸結合結構域(NBD)仍保持分離狀態。結合了底物C12:0-CoA、IBA-CoA、2,4-DB-CoA的CTS采用向細胞質基質開口（inward-facing）構象，底物的結合誘導兩個TMD相互遠離，導致兩個TMD朝向細胞質基質的通道變寬，底物結合腔打開。陳宇星課題組前期的研究證實，人類ABCD1與ABCD3蛋白可在轉運空腔中對稱結合兩個底物分子。與之截然不同，擬南芥CTS蛋白僅結合單個底物分子，三種底物分子均以獨特的“U”形結構結合于雙親性口袋中。TM5、TM7、TM12的極性殘基負責特異性識別、固定CoA頭部，TM5、TM6、TM11的疏水殘基負責錨定酰基鏈，并且酰基鏈可在TM11與TM12形成的疏水空腔發生彎折，使其能夠容納各類脂肪酸、植物激素前體及外源除草劑底物。生化與生理實驗證明，結合口袋中負責識別與結合CoA頭部的堿性殘基對底物的轉運起重要作用。在結合了ATP的CTS結構中，ATP的結合導致兩個NBD發生二聚化，使得TMD轉變為向過氧化物酶體基質開放，底物釋放后朝向過氧化物酶體基質一側的轉運通道部分閉合，最終使得CTS呈現向外閉合（outward-facing）構象。該研究不僅為闡明CTS的底物轉運機制提供了結構基礎，從分子轉運機制層面闡釋了植物復雜的生理表型，還為作物性狀改良、新型除草劑研發以及植物抗逆策略制定提供了新思路，也證明CTS是植物代謝調控網絡中功能多樣的關鍵樞紐（圖2）。

圖2. CTS轉運多種底物調控禮物生長進程示意圖

中國科學技術大學陳宇星教授、侯文韜副教授、周叢照教授、譚樹堂教授以及鄭基深教授為該論文的共同通訊作者，博士生查志慧、彭亞坤及博士后黃棟梁為該論文的第一作者。冷凍電鏡數據收集工作在中國科學技術大學集成影像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。

原文連接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73580-5