2025年12月22日，中國科學技術大學生命科學與醫學部劉欣、孫林峰團隊在Nature Communications雜志在線發表題為“Structural insights into toxicant export mediated by ABCC2 in Arabidopsis thaliana”的研究論文。該研究系統闡釋了擬南芥位于液泡膜上的有毒物質轉運蛋白ABCC2的底物識別與動態轉運機制，為深入理解植物解毒機制及其未來農業應用奠定了基礎。

面對環境中各種天然或合成的有毒物質侵害，植物進化出多種解毒策略以確保其生存和生長發育過程。液泡作為植物細胞中重要的物質隔離場所，被用來分離細胞區室中的有毒物質，保護細胞免受損害。多數情況下，胞內有毒物質可與谷胱甘肽、氨基酸、螯合蛋白或金屬硫蛋白等分子螯合，進而被運輸至液泡中隔離或從細胞質中排出。植物ABCC家族轉運蛋白（屬于ATP結合盒式轉運蛋白超家族）通過介導毒性物質或其偶聯物的輸出，在解毒過程中發揮關鍵作用。擬南芥ABCC2與同源蛋白ABCC1最早被鑒定為位于液泡膜上的解毒轉運蛋白。它們在根、莖、葉、花、芽等各種組織器官中均有表達。ABCC2具有廣泛的底物選擇性，能夠介導谷胱甘肽偶聯物或葡萄糖醛酸偶聯物以及脫落酸糖基酯、氧化型谷胱甘肽、花青素等的運輸過程。如何實現這種廣泛的底物選擇性也是領域內所關注的科學問題。

為闡釋ABCC2的工作機理，劉欣、孫林峰團隊對其開展了系統的結構與生化功能研究。團隊利用HEK293F細胞成功表達純化了ABCC2蛋白，利用冷凍電鏡單顆粒重構技術，解析了其在無底物結合、與底物2,4-二硝基苯酚谷胱甘肽偶聯物S-(2,4-dinitrophenyl) glutathione（DNP-GS，一種農藥分子產物，對植物具有高毒性）結合、與ATP結合三種不同狀態下的高分辨率三維結構。結構分析顯示，ABCC2蛋白在包含兩個跨膜結構域（Transmembrane domain，TMD）和兩個核苷酸結合結構域（Nucleotide-binding domain，NBD）的核心結構基礎上，還含有一個額外的TMD0結構域。同時，團隊還觀察到，ABCC2存在單體與二聚體兩種不同的聚集形式，并且其中二聚體的組裝界面由跨膜區介導。這種二聚體組裝方式與已知的其他ABCC家族同源蛋白呈現出顯著差異，體現了獨特的寡聚化模式。這種寡聚化形式與轉運功能的關系還有待深入研究。在與毒性物質DNP-GS結合的結構中，DNP-GS結合于由跨膜螺旋圍成的兩親性口袋中。口袋親水性與疏水性的部分分別與底物不同部分匹配結合，且口袋體積較大，解釋了其可容納不同大小底物和廣泛選擇性的分子基礎。團隊通過酶活實驗，系統評估了ABCC2在不同底物存在下的水解活性，并結合定點突變與截短體功能分析，驗證了底物結合口袋附近關鍵殘基在轉運中的重要作用。進一步研究發現，底物ATP的結合可驅動蛋白發生大幅度構象變化，促使TMD與NBD更為緊密地耦合，推動蛋白從面向細胞質開放的構象向封閉構象轉變，這為理解其轉運循環提供了關鍵的動態信息。

綜上，該研究系統闡釋了植物液泡膜解毒蛋白ABCC2的底物識別和轉運過程的分子基礎，不僅深化了對于植物ABCC轉運蛋白寡聚化和底物廣泛選擇性機制認識，也促進了對植物解毒機理的理解，為未來農業應用，設計優化抗農藥和環境毒性物質的作物品種奠定了重要基礎。

中國科學技術大學生命科學與醫學部碩士研究生仇萱和已出站博士后楊智森為該論文的共同第一作者。中國科學技術大學生命科學與醫學部劉欣副教授、孫林峰教授為論文的共同通訊作者。中國科學技術大學冷凍電鏡中心高永翔博士為冷凍電鏡數據采集提供了關鍵支持。該研究獲得了國家自然科學基金、中央高校青年教師科研創新能力支持項目、安徽省自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中央高校基本科研業務費、中國科技大學雙一流科研基金、中國博士后科學基金等項目的支持。

圖. 擬南芥ABCC2介導底物DNP-GS外排的機制示意圖

（全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67713-5）