2013年10月15日,清华大学生命科学学院柴继杰教授研 究组在《Cell Research》在线发表论文《结构揭示BAK1作为油菜素内酯受体BRI1共受体》(Structure reveals that BAK1 as a co-receptor recognizes the BRI1-bound brassinolide),报道了重要植物激素-油菜素内酯受体活化的分子机理。
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,最近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。
正如我们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,我们发现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。我们的实验结果 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。结合该研 究团队2013年10月10号刚刚在《science》上发表的FLS2LRR-flg22-BAK1LRR三元复合物的结构。我们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。
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。
清华大学生命科学学院柴继杰教授为本研究的通讯作者;清华大学生命科学学院2010级博士研究生孙亚东和韩志富博士为共同第一作者。上海同步辐射光 源BL17U1 (SSRF)为数据收集提供了及时有效的支持。本研究中清华大学的工作得到国家杰出青年科学基金(grant no. 31025008)和自然科学基金重点项目(grant no. 31130063)的资助。
图示(A)油菜素内酯BL;(B)和(C)BRI1LRR-BL-BAK1LRR复合物结构(BRI1以卡通或表面显示)
The paper links:http://www.nature.com/cr/journal/vaop/ncurrent/full/cr2013131a.html