生命學(xué)院柴繼杰課題組在《自然》發(fā)文揭示一類全新的植物肽類激素被受體識(shí)別的分子機(jī)制
2019年7月10日，清華大學(xué)生命學(xué)院柴繼杰課題組與英國(guó)The Sainsbury Laboratory的Cyril Zipfel課題組合作在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》（Nature）發(fā)表題為“異型受體復(fù)合物識(shí)別RALF多肽的分子機(jī)制”（Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex）的研究論文。該研究通過(guò)解析2.77A RALF23-LLG2-FER復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)并結(jié)合體內(nèi)功能與體外生化實(shí)驗(yàn)，闡明了植物RALF多肽被CrRLK1L型受體激酶與膜錨定GPI蛋白異型識(shí)別的分子機(jī)制，這種新穎的識(shí)別模式為相關(guān)蛋白家族的功能研究提供了全新范式。
擬南芥基因組編碼600余個(gè)受體激酶樣(Receptor like kinase, RLK)基因，它們通過(guò)識(shí)別包括自身的激素信號(hào)、小肽信號(hào)及外源病原相關(guān)分子模式(PAMP)等不同的配體，介導(dǎo)植物細(xì)胞膜內(nèi)外信號(hào)的交流。根據(jù)受體激酶胞外結(jié)構(gòu)域的組成，這些RLK可分為約15個(gè)亞家族。在過(guò)去十年間，柴繼杰教授研究組集中研究了其中3個(gè)亞家族的結(jié)構(gòu)與功能（LRR-RLK、LysM-RLK、G-type Letin-RLK），總結(jié)提出了植物受體激酶的同源或異源二聚化活化模型，相關(guān)文章均發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊，獲得了國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家的高度認(rèn)可。柴繼杰教授團(tuán)隊(duì)也因“植物油菜素內(nèi)酯等受體激酶的結(jié)構(gòu)及功能研究”，榮獲2017年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
擬南芥受體激酶Feronia (FER) 是另外一類植物受體激酶CrRLK1L亞家族的成員。CrRLK1L亞家族的成員胞外具有兩個(gè)特征性的與配體識(shí)別相關(guān)的串聯(lián)Malectin結(jié)構(gòu)域。動(dòng)物Malectin是定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的蛋白，可特異性識(shí)別糖類分子，與蛋白的糖基化修飾有關(guān)。植物Malectin結(jié)構(gòu)域同樣被報(bào)道可識(shí)別細(xì)胞壁相關(guān)多糖pectin。自FER被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，分別有三篇Science文章報(bào)道了其在生殖(Escobar-Restrepo JM et al, Science 2007)、生長(zhǎng)(Haruta M et al, Science 2014)、免疫(Stegmann M et al, Science 2017)三大植物生理過(guò)程中的重要作用?？焖賶A性化因子(Rapid alkalinization factor, RALF)是一類植物重要的肽類激素，其被認(rèn)為是受體激酶CrRLK1L亞家族的配體。如RALF1/23被FER識(shí)別，RALF4/19由ANX1/2, BUPS1/2識(shí)別(Ge et al, Science, 2017; Mecchia MA et al, Science, 2017)等。擬南芥Lorelei (LRE)及LLG1/2/3家族是一類胞外膜錨定蛋白，有研究表明其是FER信號(hào)通路的重要參與者(Capron et al., Plant Cell, 2008; Li et al., elife, 2015)。
在本項(xiàng)研究中，柴繼杰團(tuán)隊(duì)使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法解析了apo-FER, apo-ANX1, apo-ANX2, apo-LLG1和RALF23-LLG2-FER復(fù)合物五個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)合體內(nèi)功能遺傳實(shí)驗(yàn)與體外多種生化手段首次展示了植物多肽RALF被受體激酶-膜錨定蛋白這一異型受體復(fù)合物識(shí)別的分子機(jī)制。擬南芥體內(nèi)約有250個(gè)GPI蛋白，大部分研究表明GPI蛋白作為相關(guān)膜蛋白的chaperone，起到幫助膜蛋白在細(xì)胞膜系統(tǒng)上運(yùn)輸?shù)淖饔?，目前尚未有植物GPI蛋白直接識(shí)別配體的報(bào)道。而本項(xiàng)究表明，GPI蛋白LLG1/2/3可作為受體在膜上直接識(shí)別配體RALF，并在配體RALF的誘導(dǎo)下形成新的作用面以結(jié)合受體激酶FER，使FER-LLG這一異型受體復(fù)合物共同完成對(duì)配體RALF的識(shí)別。
圖1. FER-RALF23-LLG2的結(jié)構(gòu)模式圖
有別于過(guò)去研究發(fā)現(xiàn)的受體激酶基于同型二聚或多聚來(lái)識(shí)別配體的傳統(tǒng)模式，本項(xiàng)研究揭示的受體激酶與膜錨定蛋白形成異型復(fù)合物識(shí)別配體的模式，為植物受體激酶以及膜錨定蛋白的結(jié)構(gòu)功能研究提供了全新的范例。本項(xiàng)研究也糾正了植物Malectin也會(huì)識(shí)別多糖的認(rèn)識(shí)，證明了動(dòng)植物Malectin結(jié)構(gòu)域在分別進(jìn)化后，已獲得了截然不同的配體識(shí)別功能。
本研究是柴繼杰教授團(tuán)隊(duì)在植物受體激酶研究領(lǐng)域的又一突破性研究成果，該項(xiàng)研究成果得到了審稿人及Nature期刊編輯和國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià): “ 這項(xiàng)新的工作極大地推動(dòng)了領(lǐng)域的發(fā)展，他們證明了一個(gè)細(xì)胞壁相關(guān)的GPI膜錨定蛋白LLG與受體激酶一道作為一類植物肽類激素的受體。這是一個(gè)全新的受體配體結(jié)合范式，將在相關(guān)蛋白的研究領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響” （This new manuscript proves it is a co-receptor and helps tremendously in moving the field ahead, especially since the involvement of a cell wall protein that is GPI anchored, LLG, with a plant peptide hormone and its receptor kinase, is a brand new paradigm that may have many important ramifications.）
清華大學(xué)生命學(xué)院2015級(jí)博士研究生肖裕、The Sainsbury Laboratory的Martin Stegmann博士和清華大學(xué)生命學(xué)院韓志富副研究員為本文的共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院柴繼杰教授與The Sainsbury Laboratory和 the University of Zürich的Cyril Zipfel教授為本文的共同通訊作者。另外，The Sainsbury Laboratory和 the University of Zürich的Thomas A. DeFalco、Gregor Mendel Institute的Katarzyna Parys、Youssef Belkhadir與清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生徐莉也參與了本項(xiàng)研究。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、the European Research Council, the Gatsby Charitable Foundation, the University of Zürich等的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1409-7
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