生命学院柴继杰课题组合作在《自然精密机械加工》发文揭示全新的植物肽类激素被受体识别的分子机制

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清华新闻网7月12日电 7月10日,清华大学生命学院柴继杰课题组与塞恩思伯里实验中心(The Sainsbury Laboratory) 和苏黎世大学(the University of Zürich)的Cyril Zipfel课题组合作在国际顶级期刊《自然》(Nature)发表题为异型受体复合物识别RALF多肽的

清华新闻网7月12日电 7月10日,清华大学生命学院柴继杰课题组与塞恩思伯里实验中心(The Sainsbury Laboratory) 和苏黎世大学(the University of Zürich)的Cyril Zipfel课题组合作在国际顶级期刊《自然》(Nature)发表题为“异型受体复合物识别RALF多肽的分子机制”(Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex)的研究论文。该研究通过解析2.77埃RALF23-LLG2-FER复合物晶体结构并结合体内功能与体外生化实验,阐明了植物肽类激素快速碱性化因子(Rapid ALkalinization Factor, RALF)被CrRLK1L型受体激酶与膜锚定糖基磷脂酰肌醇(Glycosylphosphatidylinisotol, GPI)蛋白异型识别的分子机制,这种新颖的识别模式为相关蛋白家族的功能研究提供了全新范式。

拟南芥基因组编码600余个受体激酶样(Receptor like kinase, RLK)基因,乐点平台,它们通过识别包括自身的激素信号、小肽信号及外源病原相关分子模式(PAMP)等不同的配体,介导植物细胞膜内外信号的交流。根据受体激酶胞外结构域的组成,这些RLK可分为约15个亚家族。在过去十年间,柴继杰教授研究组集中研究了其中3个亚家族的结构与功能(LRR-RLK、LysM-RLK、G-type Letin-RLK),总结提出了植物受体激酶的同源或异源二聚化活化模型,相关文章均发表在国际顶尖期刊,获得了国内外相关专家的高度认可。柴继杰教授团队也因“植物油菜素内酯等受体激酶的结构及功能研究”荣获2017年度国家自然科学二等奖。

拟南芥受体激酶Feronia (FER) 是另外一类植物受体激酶CrRLK1L亚家族的成员。CrRLK1L亚家族的成员胞外具有两个特征性的与配体识别相关的串联Malectin结构域。动物Malectin是定位于内质网膜上的蛋白,可特异性识别糖类分子,与蛋白的糖基化修饰有关。植物Malectin结构域同样被报道可识别细胞壁相关多糖——果胶(pectin)。自FER被发现以来,分别有三篇《科学》(Science)文章报道了其在生殖(Escobar-Restrepo JM et al, Science 2007)、生长(Haruta M et al, Science 2014)、免疫(Stegmann M et al, Science 2017)三大植物生理过程中的重要作用。快速碱性化因子(Rapid alkalinization factor, RALF)是一类植物重要的肽类激素,其被认为是受体激酶CrRLK1L亚家族的配体。如RALF1/23被FER识别,RALF4/19由ANX1/2, BUPS1/2识别(Ge et al, Science, 2017; Mecchia MA et al, Science, 2017)等。拟南芥Lorelei (LRE)及LLG1/2/3家族是一类胞外膜锚定蛋白,有研究表明其是FER信号通路的重要参与者(Capron et al., Plant Cell, 2008; Li et al., elife, 2015)。

在本项研究中,柴继杰团队使用结构生物学方法解析了apo-FER, apo-ANX1, apo-ANX2, apo-LLG1和RALF23-LLG2-FER复合物五个晶体结构,结合体内功能遗传实验与体外多种生化手段,首次展示了植物肽类激素快速碱性化因子RALF被受体激酶-膜锚定蛋白这一异型受体复合物识别的分子机制。拟南芥体内约有250个GPI蛋白,大部分研究表明GPI蛋白作为相关膜蛋白的分子伴侣,起到帮助膜蛋白在细胞膜系统上运输的作用,目前尚未有植物GPI蛋白直接识别配体的报道。而本项究表明,GPI蛋白LLG1/2/3可作为受体在膜上直接识别配体RALF,并在配体RALF的诱导下形成新的作用面以结合受体激酶FER,使FER-LLG这一异型受体复合物共同完成对配体RALF的识别。

生命学院柴继杰课题组合作在《自然精密机械加工》发文揭示全新的植物肽类激素被受体识别的分子机制

 FER-RALF23-LLG2的结构模式图

有别于过去研究发现的受体激酶基于同型二聚或多聚来识别配体的传统模式,本项研究揭示的受体激酶与膜锚定蛋白形成异型复合物识别配体的模式,为植物受体激酶以及膜锚定蛋白的结构功能研究提供了全新的范例。本项研究也纠正了植物Malectin也会识别多糖的认识,证明了动植物Malectin结构域在分别进化后,已获得了截然不同的配体识别功能。

本研究是柴继杰教授团队在植物受体激酶研究领域的又一突破性研究成果,该项研究成果得到了审稿人及《自然》期刊编辑和国际同行的高度评价: “ 这项新的工作极大地推动了领域的发展,他们证明了一个细胞壁相关的GPI膜锚定蛋白LLG与受体激酶一道作为一类植物肽类激素的受体。这是一个全新的受体配体结合范式,将在相关蛋白的研究领域产生重大的影响。” (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.)

清华大学生命学院2015级博士研究生肖裕、塞恩思伯里实验中心的Martin Stegmann博士和清华大学生命学院韩志富副研究员为本文的共同第一作者,清华大学生命学院柴继杰教授与塞恩思伯里实验中心和苏黎世大学的Cyril Zipfel教授为本文的共同通讯作者。另外,塞恩思伯里实验中心和苏黎世大学的Thomas A. DeFalco、孟德尔研究所(Gregor Mendel Institute)的Katarzyna Parys、Youssef Belkhadir与清华大学生命学院博士研究生徐莉也参与了本项研究。本课题得到了国家自然科学基金委、科技部、清华-北大生命科学联合中心和北京市结构生物学高精尖创新中心、欧洲研究委员会(the European Research Council)、盖茨比慈善基金会(the Gatsby Charitable Foundation)、苏黎世大学等的资助。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1409-7

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