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    生命學院柴繼杰課題組在《自然》發文揭示一類全新的植物肽類激素被受體識別的分子機制

    2019-07-12 14:51:28

    2019年7月10日,清華大學生命學院柴繼杰課題組與英國The Sainsbury Laboratory的Cyril Zipfel課題組合作在國際頂級期刊《自然》(Nature)發表題為“異型受體復合物識別RALF多肽的分子機制”(Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex)的研究論文。該研究通過解析2.77A RALF23-LLG2-FER復合物晶體結構并結合體內功能與體外生化實驗,闡明了植物RALF多肽被CrRLK1L型受體激酶與膜錨定GPI蛋白異型識別的分子機制,這種新穎的識別模式為相關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余個受體激酶樣(Receptor like kinase, RLK)基因,它們通過識別包括自身的激素信號、小肽信號及外源病原相關分子模式(PAMP)等不同的配體,介導植物細胞膜內外信號的交流。根據受體激酶胞外結構域的組成,這些RLK可分為約15個亞家族。在過去十年間,柴繼杰教授研究組集中研究了其中3個亞家族的結構與功能(LRR-RLK、LysM-RLK、G-type Letin-RLK),總結提出了植物受體激酶的同源或異源二聚化活化模型,相關文章均發表在國際頂尖期刊,獲得了國內外相關專家的高度認可。柴繼杰教授團隊也因“植物油菜素內酯等受體激酶的結構及功能研究”,榮獲2017年度國家自然科學二等獎。

    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特征性的與配體識別相關的串聯Malectin結構域。動物Malectin是定位于內質網膜上的蛋白,可特異性識別糖類分子,與蛋白的糖基化修飾有關。植物Malectin結構域同樣被報道可識別細胞壁相關多糖pectin。自FER被發現以來,分別有三篇Science文章報道了其在生殖(Escobar-Restrepo JM et al, Science 2007)、生長(Haruta M et al, Science 2014)、免疫(Stegmann M et al, Science 2017)三大植物生理過程中的重要作用。快速堿性化因子(Rapid alkalinization factor, RALF)是一類植物重要的肽類激素,其被認為是受體激酶CrRLK1L亞家族的配體。如RALF1/23被FER識別,RALF4/19由ANX1/2, BUPS1/2識別(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信號通路的重要參與者(Capron et al., Plant Cell, 2008; Li et al., elife, 2015)。

    在本項研究中,柴繼杰團隊使用結構生物學方法解析了apo-FER, apo-ANX1, apo-ANX2, apo-LLG1和RALF23-LLG2-FER復合物五個晶體結構。結合體內功能遺傳實驗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合物識別的分子機制。擬南芥體內約有250個GPI蛋白,大部分研究表明GPI蛋白作為相關膜蛋白的chaperone,起到幫助膜蛋白在細胞膜系統上運輸的作用,目前尚未有植物GPI蛋白直接識別配體的報道。而本項究表明,GPI蛋白LLG1/2/3可作為受體在膜上直接識別配體RALF,并在配體RALF的誘導下形成新的作用面以結合受體激酶FER,使FER-LLG這一異型受體復合物共同完成對配體RALF的識別。

    圖1. FER-RALF23-LLG2的結構模式圖

     

    有別于過去研究發現的受體激酶基于同型二聚或多聚來識別配體的傳統模式,本項研究揭示的受體激酶與膜錨定蛋白形成異型復合物識別配體的模式,為植物受體激酶以及膜錨定蛋白的結構功能研究提供了全新的范例。本項研究也糾正了植物Malectin也會識別多糖的認識,證明了動植物Malectin結構域在分別進化后,已獲得了截然不同的配體識別功能。

    本研究是柴繼杰教授團隊在植物受體激酶研究領域的又一突破性研究成果,該項研究成果得到了審稿人及Nature期刊編輯和國際同行的高度評價: “ 這項新的工作極大地推動了領域的發展,他們證明了一個細胞壁相關的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。這是一個全新的受體配體結合范式,將在相關蛋白的研究領域產生重大的影響” (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.)

    清華大學生命學院2015級博士研究生肖裕、The Sainsbury Laboratory的Martin Stegmann博士和清華大學生命學院韓志富副研究員為本文的共同第一作者,清華大學生命學院柴繼杰教授與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與清華大學生命學院博士研究生徐莉也參與了本項研究。本課題得到了國家自然科學基金委、科技部、清華-北大生命科學聯合中心和北京市結構生物學高精尖創新中心、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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