2025年12月22日，中国科学技术大学生命科学与医学部刘欣、孙林峰团队在Nature Communications杂志在线发表题为“Structural insights into toxicant export mediated by ABCC2 in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究系统阐释了拟南芥位于液泡膜上的有毒物质转运蛋白ABCC2的底物识别与动态转运机制，为深入理解植物解毒机制及其未来农业应用奠定了基础。

面对环境中各种天然或合成的有毒物质侵害，植物进化出多种解毒策略以确保其生存和生长发育过程。液泡作为植物细胞中重要的物质隔离场所，被用来分离细胞区室中的有毒物质，保护细胞免受损害。多数情况下，胞内有毒物质可与谷胱甘肽、氨基酸、螯合蛋白或金属硫蛋白等分子螯合，进而被运输至液泡中隔离或从细胞质中排出。植物ABCC家族转运蛋白（属于ATP结合盒式转运蛋白超家族）通过介导毒性物质或其偶联物的输出，在解毒过程中发挥关键作用。拟南芥ABCC2与同源蛋白ABCC1最早被鉴定为位于液泡膜上的解毒转运蛋白。它们在根、茎、叶、花、芽等各种组织器官中均有表达。ABCC2具有广泛的底物选择性，能够介导谷胱甘肽偶联物或葡萄糖醛酸偶联物以及脱落酸糖基酯、氧化型谷胱甘肽、花青素等的运输过程。如何实现这种广泛的底物选择性也是领域内所关注的科学问题。

为阐释ABCC2的工作机理，刘欣、孙林峰团队对其开展了系统的结构与生化功能研究。团队利用HEK293F细胞成功表达纯化了ABCC2蛋白，利用冷冻电镜单颗粒重构技术，解析了其在无底物结合、与底物2,4-二硝基苯酚谷胱甘肽偶联物S-(2,4-dinitrophenyl) glutathione（DNP-GS，一种农药分子产物，对植物具有高毒性）结合、与ATP结合三种不同状态下的高分辨率三维结构。结构分析显示，ABCC2蛋白在包含两个跨膜结构域（Transmembrane domain，TMD）和两个核苷酸结合结构域（Nucleotide-binding domain，NBD）的核心结构基础上，还含有一个额外的TMD0结构域。同时，团队还观察到，ABCC2存在单体与二聚体两种不同的聚集形式，并且其中二聚体的组装界面由跨膜区介导。这种二聚体组装方式与已知的其他ABCC家族同源蛋白呈现出显著差异，体现了独特的寡聚化模式。这种寡聚化形式与转运功能的关系还有待深入研究。在与毒性物质DNP-GS结合的结构中，DNP-GS结合于由跨膜螺旋围成的两亲性口袋中。口袋亲水性与疏水性的部分分别与底物不同部分匹配结合，且口袋体积较大，解释了其可容纳不同大小底物和广泛选择性的分子基础。团队通过酶活实验，系统评估了ABCC2在不同底物存在下的水解活性，并结合定点突变与截短体功能分析，验证了底物结合口袋附近关键残基在转运中的重要作用。进一步研究发现，底物ATP的结合可驱动蛋白发生大幅度构象变化，促使TMD与NBD更为紧密地耦合，推动蛋白从面向细胞质开放的构象向封闭构象转变，这为理解其转运循环提供了关键的动态信息。

综上，该研究系统阐释了植物液泡膜解毒蛋白ABCC2的底物识别和转运过程的分子基础，不仅深化了对于植物ABCC转运蛋白寡聚化和底物广泛选择性机制认识，也促进了对植物解毒机理的理解，为未来农业应用，设计优化抗农药和环境毒性物质的作物品种奠定了重要基础。

中国科学技术大学生命科学与医学部硕士研究生仇萱和已出站博士后杨智森为该论文的共同第一作者。中国科学技术大学生命科学与医学部刘欣副教授、孙林峰教授为论文的共同通讯作者。中国科学技术大学冷冻电镜中心高永翔博士为冷冻电镜数据采集提供了关键支持。该研究获得了国家自然科学基金、中央高校青年教师科研创新能力支持项目、安徽省自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中央高校基本科研业务费、中国科技大学双一流科研基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

图. 拟南芥ABCC2介导底物DNP-GS外排的机制示意图

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