兩軍對壘，劍拔弩張，一小支先頭部隊(duì)暗地里發(fā)起偷襲。繞過守衛(wèi)，摸入大營，正當(dāng)他們?yōu)槠嬉u得手自鳴得意之時(shí)，環(huán)顧四周，發(fā)現(xiàn)這竟是一座空營。說時(shí)遲那時(shí)快，埋伏在附近的暗哨點(diǎn)燃了烽火，本想出其不意的先頭部隊(duì)完全暴露了行蹤……
這是一場真實(shí)發(fā)生的“戰(zhàn)役”，只不過以肉眼無法觀察的維度發(fā)生在植物體內(nèi)。在這里，偽裝成“空營”的是植物受體激酶Pto，它和“暗哨”Prf蛋白緊密合作，一旦敵軍“先頭部隊(duì)”——能夠使植物患病的病原菌產(chǎn)生的一種效應(yīng)蛋白AvrPto“誤入空營”，與Pto結(jié)合，Prf蛋白就迅速被激發(fā)活性，“燃起烽火”，向下游免疫系統(tǒng)傳遞信號，進(jìn)而提高了植物的抗病性。
這種植物抗病新模型被稱為“誘餌模型”，是清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（柴繼杰教授實(shí)驗(yàn)室）聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物體內(nèi)及功能實(shí)驗(yàn)室（周儉民研究員實(shí)驗(yàn)室）和鄭州大學(xué)的重要功能化合物合成及表征實(shí)驗(yàn)室（常俊標(biāo)教授實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行的“植物油菜素內(nèi)酯等受體激酶的結(jié)構(gòu)及功能研究”課題項(xiàng)目研究成果的一部分。該項(xiàng)目榮獲2017年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
植物細(xì)胞膜上存在大量的受體激酶，常被用作實(shí)驗(yàn)植物的擬南芥大約有600多個(gè)，而水稻大約有1000多個(gè)，造成誘發(fā)刺激的小分子物質(zhì)有不同形態(tài)，受體激酶也相應(yīng)地有多種不同形態(tài)，“一把鑰匙配一把鎖”，與配體特異性結(jié)合，像“哨兵”一樣激發(fā)活性，傳遞信號，從而承擔(dān)調(diào)控植物生長、發(fā)育、抗病和共生的功能。國內(nèi)外已有一系列針對受體激酶的遺傳學(xué)研究，而柴繼杰實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)技術(shù)手段，從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度結(jié)合遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)等手段進(jìn)行研究，更加清晰明確地闡釋受體激酶如何發(fā)揮作用、通過什么物質(zhì)發(fā)揮作用的機(jī)制。
與動(dòng)物不同，大多數(shù)植物無法自主移動(dòng)，躲避或反擊敵害，這使得免疫對于植物的生存格外重要，而準(zhǔn)確識別致病物質(zhì)是免疫的第一步。通過解析受體與配體結(jié)合后形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)現(xiàn)，一種叫作AtCERK1的植物受體能夠“認(rèn)出”真菌病原體的主要成分——幾丁質(zhì)，受體FLS2則能夠特異性識別致病細(xì)菌的鞭毛蛋白，對這兩種病原體的免疫過程即肇始于此。
同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，在對細(xì)菌鞭毛的識別中，另一種物質(zhì)BAK1作為共受體存在，參與植物體免疫受體的活化。有趣的是，被受體激酶Pto識別的病原菌效應(yīng)蛋白AvrPto同樣可以作用于共受體BAK1，抑制植物的免疫反應(yīng)，從而達(dá)到致病的目的。
AtCERK1識別幾丁質(zhì)的模式被稱為“同源二聚化”，顧名思義，在這個(gè)過程中，植物細(xì)胞膜上兩個(gè)相同的AtCERK1蛋白胞外區(qū)被幾丁質(zhì)配體誘導(dǎo)二聚化，并激活植物防御反應(yīng)。而在FLS2與BAK1“合作”識別細(xì)菌鞭毛蛋白的過程中兩個(gè)不同的蛋白激酶發(fā)生二聚化，即“異源二聚化”。無論哪一種模式在都提示受體激酶被激活都最少需要兩個(gè)激酶的互作。該研究也由此揭示了植物受體激酶活化的普遍模式——同源或異源二聚化活化，該模式也指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了許多植物受體激酶通路的新成分。
除了植物免疫，該研究還涉及受體激酶在植物激素發(fā)揮作用的過程中扮演的角色。油菜素甾醇（BR）廣泛存在于各類植物中，因其最早在油菜中被發(fā)現(xiàn)而得名，對于調(diào)控植物生長發(fā)育有重要作用，被認(rèn)定為生長素、乙烯等五類常見植物激素之外第六大植物激素。油菜素內(nèi)酯產(chǎn)生和生效并不在植物細(xì)胞的同一部位，在傳遞運(yùn)輸過程中，如何準(zhǔn)確識別應(yīng)當(dāng)發(fā)揮作用的部位，同樣離不開植物受體激酶。該研究通過解析油菜素甾醇的一種——油菜素內(nèi)酯（BL）與其受體BRI1形成的二元復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，以及激素BL、受體BRI1和共受體BAK1結(jié)合形成的三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，首次揭示油菜素內(nèi)酯這種重要植物激素的受體識別及受體異源二聚化活化的分子機(jī)制。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授柴繼杰是這一項(xiàng)目的第一完成人，他主要運(yùn)用X-射線晶體學(xué)研究植物受體激酶和NOD樣受體的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，經(jīng)過十幾年研究，取得了一系列國際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果，對生物大分子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)得到了國內(nèi)外同行的高度認(rèn)可。在同事、學(xué)生眼中，柴繼杰兼具創(chuàng)新的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，對科研工作有極高熱忱，每天風(fēng)雨無阻與實(shí)驗(yàn)室其他成員就實(shí)驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行討論、爭辯，每天從實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)滴進(jìn)展中收獲激動(dòng)。2017年6月，由于在受體激酶結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域的杰出成就，柴繼杰獲得了德國馬普植物遺傳與育種研究所“洪堡”教授獎(jiǎng)。鄭州大學(xué)常俊標(biāo)、清華大學(xué)韓志富、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李磊及鄭州大學(xué)宋傳君分別為項(xiàng)目第二至第五完成人。
憑借AvrPto-Pto誘餌模型、油菜素內(nèi)酯受體識別、AtCERK1 特異性識別幾丁質(zhì)、受體FLS2 和共受體BAK1識別致病菌鞭毛蛋白、AvrPto抑制共受體BAK1這五項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，“植物油菜素內(nèi)酯等受體激酶的結(jié)構(gòu)及功能研究”獲得了國內(nèi)、國際同行的高度評價(jià)，在《自然》《科學(xué)》等頂尖學(xué)術(shù)雜志共發(fā)表8篇代表論文，獲得SCI他引744 次。學(xué)術(shù)成就之外，在實(shí)踐應(yīng)用層面，此研究對于作物抗病性的提高及良種植物的培育等同樣具有重要意義。
