尿素作为农业生产中最主要的氮源肥料之一，也是植物体内重要的氮代谢产物，在现代农业中具有重要意义。在植物中，DUR3是一种定位于质膜的质子驱动型高亲和力尿素转运蛋白，属于钠离子/溶质同向转运体家族（SSS family）成员，既可吸收外源低浓度尿素作为营养来源，也可从衰老叶片中回收尿素，实现体内氮素的再分配。尽管DUR3在植物氮素高效利用中发挥着关键作用，其高亲和力尿素转运的分子机制尚未被充分揭示。

近日，北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台赵珺博士与中国科学院生物物理研究所张凯研究员、赵岩研究员团队合作，在《Nature Communications》在线发表了题为“Structural basis of urea transport by Arabidopsis thaliana DUR3”的研究论文，为理解植物中DUR3介导的质子驱动型尿素高亲和力转运机制提供了重要的结构基础。

在本研究中，我们利用冷冻电镜（cryo-EM）技术解析了拟南芥DUR3的两种构象结构，分别为空载状态下的向内开放构象（和结合尿素后的封闭构象（图1 B, C）。DUR3以两个平行排列的单体形成二聚体，每个单体包含15根跨膜螺旋，其整体结构呈典型的LeuT样折叠（图1 A）。通过对两种构象的比较，我们在蛋白中心腔体内观测到一处球状密度，位于TM1、TM2、TM6、TM7和TM10所围的口袋区域内，其大小与尿素分子高度匹配，提示该位置为尿素的结合位点。结合尿素吸收缺陷型酵母（YNVW1）的生长互补实验，我们进一步鉴定了多个参与底物识别的关键残基，特别是芳香族残基的侧链，例如位于TM1的W95与TM7的W338构成的色氨酸二联体，在尿素分子结合过程中起到至关重要的作用。此外，在尿素结合构象中，我们还发现位于转运蛋白腔体内的两个可滴定酸性氨基酸残基。酵母生长互补实验显示这两个位点的突变显著削弱了尿素的转运功能。基于结构解析与功能验证结果，我们提出了一个DUR3介导的质子偶联尿素转运机制模型（图1 D）。

本研究阐明了植物中DUR3高亲和力尿素转运的分子基础，深化了对该家族质子驱动型底物转运机制的理解，并为提升植物对尿素的高效利用提供了重要的结构生物学依据。张凯研究员、赵岩研究员与赵珺博士为论文的共同通讯作者。研究院访问学生安卫东（现生物微观结构研究平台助理研究员）、中科院生物物理所博士研究生高逸伟、中国农业大学刘来华教授为论文共同第一作者，中科院生物物理所博士研究生白秦儒也为本研究做出重要贡献。北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室为论文第一单位。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56943-2