清華教授連發(fā)Science，Cell Res文章 解析新作用機(jī)理
來(lái)源：生物通 2013-10-24
清華大學(xué)生科院的柴繼杰教授近年來(lái)主要關(guān)注并研究在生物學(xué)及藥學(xué)應(yīng)用中的重要大分子結(jié)構(gòu)與功能，通過(guò)蛋白晶體衍射的方法及一些生物、生化方面的手段闡述這些生物分子在結(jié)構(gòu)和功能上的聯(lián)系，并取得了一系列突出成果。近期其研究組接連發(fā)表文章，破解植物作用新機(jī)理。
隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)、城市化導(dǎo)致的耕地減少及氣候的改變，單位耕種面積上獲得盡可能高效的糧食生產(chǎn)顯得越來(lái)越重要。相關(guān)的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)新的可以調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的小分子提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
油菜素內(nèi)酯是一種重要的天然植物激素。像動(dòng)物的雄性激素一樣，它能充分激發(fā)植物內(nèi)在潛能，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增加作物產(chǎn)量，提高作物的抗病、抗鹽和抗凍能力，使作物的抗逆性增強(qiáng)，減輕除草劑對(duì)作物的藥害。BL發(fā)揮活性主要是通過(guò)與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合來(lái)發(fā)揮功能（與動(dòng)物甾類(lèi)激素在細(xì)胞漿和細(xì)胞核中發(fā)揮作用完全不同）。
在2011年，柴繼杰研究團(tuán)隊(duì)解析了BL與BRI1受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)，解釋了BRI1識(shí)別BL的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，相關(guān)成果發(fā)表在2011年nature雜志上。該研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量辛苦的努力，近期又解析了結(jié)合共受體BAK1的BRI1LRR-BL-BAK1LRR三元復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了這一重要植物激素BL和共受體BAK1發(fā)揮作用的詳細(xì)機(jī)理，明確了受體活化的分子水平機(jī)制。
正如原來(lái)結(jié)構(gòu)所推測(cè)的一樣，激素BL的結(jié)合在BRI1胞外區(qū)所產(chǎn)生的新的平面為共受體的結(jié)合位點(diǎn)，共受體BAK1的N末端帽子與激素2、3位羥基及溶液暴露面相互作用，使原先在BRI1結(jié)合BL復(fù)合物中沒(méi)有闡明作用的激素2、3位羥基的重要性達(dá)到了闡明。復(fù)合物結(jié)構(gòu)也對(duì)一些重要的遺傳突變結(jié)果給出了合理的解釋。
另外通過(guò)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)BRI1-BAK1形成異源二聚體不僅需要BL，而且還受到溶液PH值的影響：酸性條件促進(jìn)結(jié)合，而堿性條件抑制結(jié)合。植物生長(zhǎng)素促生長(zhǎng)的一個(gè)重要原因就是促進(jìn)細(xì)胞外酸化-酸生長(zhǎng)理論，而植物感受病原菌后即時(shí)效應(yīng)之一就是使細(xì)胞外快速堿化-生長(zhǎng)抑制。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能提示BRI1在這兩種現(xiàn)象中扮演著整合的角色。
共受體BAK1最令人感興趣的特征在于，遺傳學(xué)及生化實(shí)驗(yàn)表明它參與激活多種植物L(fēng)RR受體激酶（例如BRI1、FLS2，EFR和PEPR1/2等），這些激酶結(jié)合極其不同的配體，觸發(fā)不同的反應(yīng)。植物不同信號(hào)受體利用一個(gè)共同的輔助受體蛋白，可以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)通路之間的相互溝通和協(xié)調(diào)。
此外這一研究組還在Science雜志上發(fā)表了FLS2LRR-flg22-BAK1LRR三元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。首次報(bào)道了植物模式識(shí)別受體FLS2及共受體BAK1與細(xì)菌模式分子鞭毛蛋白保守基序flg22三元復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和體內(nèi)外生化實(shí)驗(yàn)揭示了該復(fù)合物活化的分子機(jī)制。
研究人員闡明了FLS2胞外區(qū)通過(guò)其螺線(xiàn)狀凹面的連續(xù)B片層來(lái)識(shí)別flg22；結(jié)構(gòu)也提示共受體BAK1僅僅通過(guò)N端帽子接觸flg22表位的C末端，并且共受體BAK1與FLS2形成廣泛的直接相互作用，提示其可能先形成預(yù)復(fù)合物，以利于對(duì)病原菌的侵入做出快速反應(yīng)。
通過(guò)與周儉民研究員研究組和Cyril Zipfel教授研究組合作，這一研究組從體外生化和植物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了flg22激活FLS2的機(jī)理：當(dāng)植物宿主細(xì)胞感受到細(xì)菌鞭毛蛋白時(shí)，細(xì)菌鞭毛蛋白通過(guò)誘導(dǎo)植物細(xì)胞膜上的FLS2和BAK1形成異源二聚化來(lái)完成配體感應(yīng)并激活下游防衛(wèi)反應(yīng)信號(hào)通路。復(fù)合物結(jié)構(gòu)也對(duì)可以作為許多植物受體共受體的SERK家族功能有了更深的了解。
研究人員指出，結(jié)合這些研究成果，現(xiàn)在可以在原子水平上觀測(cè)這一輔助受體BAK1發(fā)揮多樣功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
