Decoding plant vacuolar phosphate efflux: Structural and dynamic insights from rice VPE2

液泡 生物物理学 费斯特共振能量转移 胞浆 化学 构象变化 跨膜蛋白 跨膜结构域 运输机 生物化学 细胞生物学 螺旋(腹足类) 磷酸盐 能源景观 流出 生物 主要促进者超家族 转运蛋白 蛋白质结构 分子动力学 膜转运
作者
Jiaqi Zuo,Shuo Cao,YZ Tang,Haitao He,Jie Zhang,Peiru Li,Yanke Chen,Ping Yin,Chuang Wang,Lizhong Xiong,Faming Dong,Zhu Liu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (33): e2611598123-e2611598123
标识
DOI:10.1073/pnas.2611598123
摘要

Vacuoles store up to 90% of cellular phosphorus in plants, serving as a critical buffer against cytosolic fluctuations during environmental nutrient stress. Despite this central role, the molecular mechanisms governing vacuolar inorganic phosphate (Pi) release through vacuolar Pi efflux transporters (VPEs) remain unclear. Through integrative structural biology, we elucidate how the rice transporter OsVPE2 transports Pi out of vacuoles. Cryoelectron microscopy structures capture distinct functional states, revealing a Pi-binding pocket and a unique vacuolar coupling helix (VCH) motif that undergoes pH-dependent conformational switching. Single-molecule fluorescence resonance energy transfer analyses reveal the intrinsic dynamics of the VCH, demonstrating that its movement is coupled with the transporter's conformational changes. This dynamic VCH functions as a conformational switch, regulating the transporter cycle: its embedding into the transmembrane vestibule stabilizes transporter's outward-occluded state, while its displacement enables the transition to the inward-open conformation. Functional studies demonstrate that VCH flexibility-not mere presence-is essential for transport, and its disruption impairs function. Our work establishes the molecular blueprint for vacuolar Pi efflux, identifying this evolutionarily conserved regulatory VCH among VPEs as a potential target for structure-guided engineering to optimize plant phosphorus recycling and use efficiency.
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