植物カリウムチャネル GORK の構造とゲートメカニズムを解明 (Researchers Reveal Structure and Gating Mechanism of Plant Potassium Channel GORK)

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2025-02-26 中国科学院 (CAS)

中国科学院分子植物科学卓越センターとグラスゴー大学の研究者チームは、モデル植物であるシロイヌナズナのカリウムチャネル「GORK」の構造と開閉メカニズムを解明しました。GORKは、植物の気孔閉鎖時にカリウムイオンを細胞外へ排出する役割を担い、植物の水分調節やガス交換に重要な役割を果たしています。研究チームは、クライオ電子顕微鏡を用いて、GORKチャネルの高解像度構造を閉状態と開放前状態で解析しました。その結果、GORKは4つのサブユニットからなるホモ四量体であり、各サブユニットは膜貫通部位(PD)と電位センサー部位(VSD)、細胞質内のCリンカー、環状ヌクレオチド結合ホモロジードメイン(CNBHD)、アンキリンリピート(ANK)ドメインを持つことが明らかになりました。さらに、2つの結合部位がチャネルの開閉に重要な役割を果たしていることが判明し、これらの部位の変異がチャネルの活性化エネルギーや開閉速度に影響を与えることが示されました。この研究は、GORKチャネルの機能改良を通じて、植物の気孔制御を最適化し、水利用効率や炭素同化の向上に繋がる可能性を示しています。

<関連情報>

GORK K+チャネルの構造とゲーティングが気孔工学に不可欠であることを発見 GORK K+ channel structure and gating vital to informing stomatal engineering

Xue Zhang,William Carroll,Thu Binh-Anh Nguyen,Thanh-Hao Nguyen,Zhao Yang,Miaolian Ma,Xiaowei Huang,Adrian Hills,Hui Guo,Rucha Karnik,Michael R. Blatt & Peng Zhang
Nature Communications  Published:25 February 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-57287-7

植物カリウムチャネル GORK の構造とゲートメカニズムを解明 (Researchers Reveal Structure and Gating Mechanism of Plant Potassium Channel GORK)

Abstract

The Arabidopsis GORK channel is a major pathway for guard cell K+ efflux that facilitates stomatal closure. GORK is an outwardly-rectifying member of the cyclic-nucleotide binding-homology domain (CNBHD) family of K+ channels with close homologues in all other angiosperms known to date. Its bioengineering has demonstrated the potential for enhanced carbon assimilation and water use efficiency. Here we identify critical domains through structural and functional analysis, highlighting conformations that reflect long-lived closed and pre-open states of GORK. These conformations are marked by interactions at the cytosolic face of the membrane between so-called voltage-sensor, C-linker and CNBHD domains, the latter relocating across 10 Å below the voltage sensor. The interactions center around two coupling sites that functional analysis establish are critical for channel gating. The channel is also subject to putative, ligand-like interactions within the CNBHD, which leads to its gating independence of cyclic nucleotides such as cAMP or cGMP. These findings implicate a multi-step mechanism of semi-independent conformational transitions that underlie channel activity and offer promising new sites for optimizing GORK to engineer stomata.

細胞遺伝子工学
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