郭红卫/姜凯团队发现一个抑制生长素代谢酶GH3的小分子化合物

生长素（auxin）是第一个被发现的植物激素，它几乎参与了与植物生长发育相关的所有过程。如调控细胞分裂和伸长、器官形态建成、植物向性、植株顶端优势、侧根发生和不定根的形成、叶片脱落和果实发育等诸多过程。生长素的生理活性与其组织器官中的浓度密切相关。因此生长素的合成、转运、储藏和代谢等途径所介导的生长素水平的时空调控尤为重要。目前，研究者已经开发出作用于生长素合成、运输、受体等多个调控稳态环节的小分子调控剂，为生长素研究和农业生产提供了多种多样的化学工具（Jiang and Asami, 2018; Aizezi et al., 2022）。然而，生长素代谢作为维持生长素稳态中的关键一环，作用于其通路上的小分子调控剂鲜有报道。

郭红卫教授/姜凯团队长期致力于化学小分子调节剂在植物激素上的研究。先后发现了生长素IPyA合成通路关键酶TAA1和YUC的抑制剂（He et al., Plant Cell, 2011；Zhu et al., J Biol Chem, 2019）。另外，还发现了乙烯合成通路中ACO酶的抑制剂PZA（Sun et al., Nat Commun, 2017）。借助化学遗传学手段揭示了细胞分裂素介导的PIF蛋白稳定性参与顶端弯钩发育的分子调控新机制（Aizezi et al., J Exp Bot, 2021）。

近日，该团队在PNAS发表了题为Chemical genetic screening identifies nalacin as an inhibitor of GH3 amido synthetase for auxin conjugation的研究论文。该研究通过基于表型的筛选，鉴定到一个抑制生长素代谢酶GH3的小分子化合物nalacin (non-auxin-scaffold-like auxin conjugation inhibitor)。通过化学遗传学、分子生物学、分子动力学、酶促动力学、结构生物学等方法详细阐明了GH3的作用以及nalacin抑制该酶活性的分子机制。该化合物能够高效地抑制GH3酶介导的生长素代谢，进而实现对内源生长素稳态的调控，为新型植物生长调控剂的创制提供了先导化合物骨架。

郭红卫/姜凯团队通过化学遗传筛选鉴定到一个具有生长素活性的小分子nalacin（图1）。研究人员综合运用经典遗传学、化学遗传学以及生物化学等手段证明nalacin本身不具有生长素活性，而是通过直接结合并抑制生长素代谢酶GH3进而增加了植物内源生长素的含量实现对植物生长发育的调控（图1）。

图1. 化学遗传学筛选路线及候选化合物活性评价（Xie et al., 2022）

为了进一步解析nalacin抑制GH3的分子机制，研究人员先后对nalacin开展了化学结构与活性相关性研究、共结晶结构解析、分子模拟对接 (图2)。结果表明，nalacin及其衍生化合物D4分别能够与AMP共同结合在GH3酶活口袋，并占据了吲哚乙酸的结合位点。与nalacin相互作用的氨基酸在拟南芥中8个负责生长素代谢的GH3家族II同源蛋白以及众多维管植物的GH3中高度保守，表明nalacin克服蛋白功能冗余的高效性和高等植物中作为GH3抑制剂的广谱性。特别是nalacin在诱导番茄幼苗生根过程中表现出优于外源生长素的农艺性状 (图2)。

图2. 结晶结构分析及nalacin的番茄幼苗生根活性（Xie et al., 2022）

南方科技大学生命科学学院谢银鹏博士、朱颖博士、汪娜博士为本文的共同第一作者，姜凯研究副教授、郭红卫教授以及黄鸿达教授为共同通讯作者。东京大学Asami Tadao教授课题组、加州大学圣迭戈分校的Zhao Yunde教授课题组以及南方科技大学黄安诚教授课题组分别在化合物合成、遗传材料以及质谱分析上给与大力支持。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省普通高校重点实验室、广东省创新创业团队、深圳市科创委以及中国博士后科学基金等项目的资助。

参考文献

Aizezi Y, Shu H, Zhang L, Zhao H, Peng Y, Lan H, Xie Y, Li J, Wang Y, Guo H^# and Jiang K^# (2021) Cytokinin regulates apical hook development via the coordinated actions of EIN3/EIL1 and PIF transcription factors in Arabidopsis. J Exp Bot. 73: 213-227.

Aizezi Y, Xie Y, Guo H^#, and Jiang K^# (2022) New wine in an old bottle: utilizing chemical genetics to dissect apical hook development. Life. 12: 1285.

He W, Brumos J, Li H, Ji Y, Ke M, Gong X, Zeng Q, Li W, Zhang X, An F, Wen X, Li P, Chu J, Sun X, Yan C, Yan N, Xie D, Raikhel N, Yang Z, Stepanova AN, Alonso JM and Guo H^# (2011) A small-molecule screen identifies L-Kynurenine as a competitive inhibitor of TAA1/TAR activity in ethylene-directed auxin biosynthesis and root growth in Arabidopsis. Plant Cell. 23: 3944-3960.

Jiang K and Asami T^# (2018) Chemical regulators of plant hormones and their applications in basic research and agriculture. Biosci Biotechnol Biochem. 82: 1265-1300.

Sun X, Li Y, He W, Ji C, Xia P, Wang Y, Du S, Li H, Raikhel N, Xiao J^# and Guo H^# (2017) Pyrazinamide and derivatives block ethylene biosynthesis by inhibiting ACC oxidase. Nat Comm. 8: 15758.

Xie Y*, Zhu Y*, Wang N*, Luo M, Ota T, Guo R, Takahashi I, Yu Z, Aizezi Y, Zhang L, Yan Y, Zhang Y, Bao H, Wang Y, Zhu Z, Huang A, Zhao Y, Asami T, Huang H^#, Guo H^#, and Jiang K^# (2022) Chemical genetic screening identifies nalacin as an inhibitor of GH3 amido synthetase for auxin conjugation. Proc Natl Acad Sci USA.119: e2209256119.

Zhu Y, Li H, Su Q, Wen J, Wang Y, Song W, Xie Y, He W, Yang Z, Jiang K^# and Guo H^# (2019) A phenotype-directed chemical screen identifies ponalrestat as an inhibitor of the plant flavin monooxygenase YUCCA in auxin biosynthesis. J Biol Chem. 294: 19923-19933.

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2209256119

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