近日，南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫、研究副教授姜凯团队与副教授黄鸿达团队合作在PNAS上发表了题为“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) （图1）。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水平的调控，为新型植物生长调控剂的创制提供了先导化合物骨架。
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。生长素的研究对于植物生长发育的理解和指导农业生产具有重要意义。过去三十年间，人们对生长素的生物合成、运输和信号转导的关键组分有了深入的研究和认识。生长素的调控作用严格依赖于不同的组织器官中的生长素浓度，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显得尤为重要。目前，研究者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样的化学工具（Jiang and Asami, 2018; Aizezi et al., 2022）。如生长素活性类似物2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）被广泛地用于组织培养、除草、疏花疏果等诸多农业生产实践环节。然而，农业的发展和农药标准的更新，具有80年历史的2,4-D的使用逐渐受到限制。因此，新型生长素调控剂的开发具有重要意义。
图1、化学遗传学筛选路线及候选化合物活性评价（引用自Xie et al., 2022）
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）。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）。Nalacin的开发为基础研究和农业生产应用提供了基于新靶点的生长素化学调控工具。
图2、结晶结构分析及nalacin番茄幼苗生根活性验证（引用改编自Xie et al., 2022）
值得一提的是，郭红卫、姜凯团队搭建了一个完备的化学小分子筛选平台，包括化学骨架和生物活性多样的化合物库、高通量移液和检测设备以及计算机辅助的药物筛选等软硬件。团队在植物化学遗传学研究中取得了一系列成果，先后筛选获得了生长素合成酶TAA1抑制剂L-kynurenine（He et al., Plant Cell, 2011）和YUCCA抑制剂ponalrestat (Zhu et al., J Biol Chem, 2019)以及乙烯合成酶ACO抑制剂pyrazinamide（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）。本研究中开发的nalacin打通了小分子调控剂在生长素代谢通路上关键一环，丰富了内源生长素的化学调控工具。
南方科技大学生命科学学院博士后谢银鹏、朱颖、汪娜为本文的共同第一作者，姜凯、郭红卫以及黄鸿达为共同通讯作者。南科大是论文第一单位。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予大力支持。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。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209256119
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