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清华教授连发Science,Cell Res文章 解析新作用机理

来源:生物通 2013-10-24

  清华大学生科院的柴继杰教授近年来主要关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子结构与功能,通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物分子在结构和功能上的联系,并取得了一系列突出成果。近期其研究组接连发表文章,破解植物作用新机理。

  随着全球人口的不断增长、城市化导致的耕地减少及气候的改变,单位耕种面积上获得尽可能高效的粮食生产显得越来越重要。相关的结构为设计新的可以调节植物生长的小分子提供了坚实基础。

  油菜素内酯是一种重要的天然植物激素。像动物的雄性激素一样,它能充分激发植物内在潜能,促进作物生长和增加作物产量,提高作物的抗病、抗盐和抗冻能力,使作物的抗逆性增强,减轻除草剂对作物的药害。BL发挥活性主要是通过与细胞膜上的受体结合来发挥功能(与动物甾类激素在细胞浆和细胞核中发挥作用完全不同)。

  在2011年,柴继杰研究团队解析了BL与BRI1受体复合物结构,解释了BRI1识别BL的结构基础,相关成果发表在2011年nature杂志上。该研究团队经过大量辛苦的努力,近期又解析了结合共受体BAK1的BRI1LRR-BL-BAK1LRR三元复合物晶体结构,揭示了这一重要植物激素BL和共受体BAK1发挥作用的详细机理,明确了受体活化的分子水平机制。

  正如原来结构所推测的一样,激素BL的结合在BRI1胞外区所产生的新的平面为共受体的结合位点,共受体BAK1的N末端帽子与激素2、3位羟基及溶液暴露面相互作用,使原先在BRI1结合BL复合物中没有阐明作用的激素2、3位羟基的重要性达到了阐明。复合物结构也对一些重要的遗传突变结果给出了合理的解释。

  另外通过研究,研究人员发现BRI1-BAK1形成异源二聚体不仅需要BL,而且还受到溶液PH值的影响:酸性条件促进结合,而碱性条件抑制结合。植物生长素促生长的一个重要原因就是促进细胞外酸化-酸生长理论,而植物感受病原菌后即时效应之一就是使细胞外快速碱化-生长抑制。这一实验结果可能提示BRI1在这两种现象中扮演着整合的角色。

  共受体BAK1最令人感兴趣的特征在于,遗传学及生化实验表明它参与激活多种植物LRR受体激酶(例如BRI1、FLS2,EFR和PEPR1/2等),这些激酶结合极其不同的配体,触发不同的反应。植物不同信号受体利用一个共同的辅助受体蛋白,可以实现不同信号通路之间的相互沟通和协调。

  此外这一研究组还在Science杂志上发表了FLS2LRR-flg22-BAK1LRR三元复合物的结构。首次报道了植物模式识别受体FLS2及共受体BAK1与细菌模式分子鞭毛蛋白保守基序flg22三元复合物晶体结构,并通过结构分析和体内外生化实验揭示了该复合物活化的分子机制。

  研究人员阐明了FLS2胞外区通过其螺线状凹面的连续B片层来识别flg22;结构也提示共受体BAK1仅仅通过N端帽子接触flg22表位的C末端,并且共受体BAK1与FLS2形成广泛的直接相互作用,提示其可能先形成预复合物,以利于对病原菌的侵入做出快速反应。 

  通过与周俭民研究员研究组和Cyril Zipfel教授研究组合作,这一研究组从体外生化和植物体内实验也验证了flg22激活FLS2的机理:当植物宿主细胞感受到细菌鞭毛蛋白时,细菌鞭毛蛋白通过诱导植物细胞膜上的FLS2和BAK1形成异源二聚化来完成配体感应并激活下游防卫反应信号通路。复合物结构也对可以作为许多植物受体共受体的SERK家族功能有了更深的了解。

  研究人员指出,结合这些研究成果,现在可以在原子水平上观测这一辅助受体BAK1发挥多样功能的结构基础。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-10-24 15:58:30]
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