揭示植物BRI1受体与配体BL复合物的晶体结构

上一篇 / 下一篇  2011-09-01 15:03:42

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油菜素内酯是一种天然植物激素。目前,在各种作物中已经发现60多种油菜素内酯化合物,其中BL是其中活性最高的, 其广泛存在于植物的花粉、种子、茎和叶等器官中。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。近年来人们对其作用及信号转导通路进行了大量研究,获得了许多有意义的成果,重要的一点就是发现BRI1是BR的细胞膜受体,但是对于其如何结合的机制一直不清楚。2011年6月12日,清华大学生命学院柴继杰教授领导的科研小组,在Nature在线发表了名为《Structural insight into brassinosteroid perception by BRI1》的科研论文,报道了BRI1识别BL的晶体结构,结合生化实验提出了BRI1活化的可能机制。

结构显示BRI1的胞外部分包括一个N端帽结构域、25个亮氨酸基序、一个C端帽结构域及位于21与22基序之间的岛状结构域。正如典型含丰富亮氨酸基序蛋白结构一样,这些基序串联在一起形成一个高度弯曲的螺旋管状结构,围绕中心轴旋转了360度。与其它含丰富亮氨酸基序蛋白结构有区别的是BRI1由丰富亮氨酸基序形成的螺旋管状结构异常扭曲,相对于第一个基序,最后一个基序通过右手螺旋围饶中心轴上升了60埃。另一显著的特点是在螺旋管的内侧有一个岛状结构域。以前的生化实验认为岛状结构域与临近的亮氨酸基序参与配体油菜素内酯的识别。我们的晶体结构显示岛状结构域确实参与了配体的结合,但是只有岛状结构域是不够的,其需要与临近的亮氨酸基序骨架共同构成一个可以容纳配体的小坑,受体与配体形成了很好的形状与电荷互补,BRI1蛋白与BL识别的作用力主要由疏水相互作用构成,这也可以解释为什么受体可以结合许多结构不同的油菜素内脂化合物。复合物的晶体结构也提示,油菜素内脂的七元B环上的六位酮基氧和23位的羟基对于配体的选择性是需要的。这些结构信息也有助于设计新的非油菜素内脂小分子,以达到根据需求控制植物的性状来满足人类的需要。同时,结合BL后BRI1的两段肽段发生了明显的构像变化,这些现象结合生化实验结果为BRI1受体结合BL后如何活化提供了线索。

我们的结构不仅解释了BRI1是如何识别BL的,更重要的是以前人们认为,对于甾类激素例如雌激素主要是由胞浆或核内的受体识别。我们的结构揭示了一种存在于细胞膜上的全新的识别甾类激素的结构域。表明细胞膜上也可以做为甾类激素发挥作用的部位。对于哺乳动物甾类激素膜表面受体的认识也有重要启示意义。

同时,在模式生物拟南芥中有至少含有200多个富含亮氨酸重复的受体激酶(在水稻中大约有600多个),这类LRR-RLKS参与了多种多样的生物过程:调控分生组织的生长、抗病性、激素信号传递、组织发育等。我们的结构也为研究这一类蛋白提供了很好的范例。

值得指出的是,这是清华大学结构生物学中心继解出脱落酸受体结构后,在植物激素受体领域的又一重大突破。来自北京大学、北京生命科学研究所、美国斯坦福大学卡内基研究所和郑州大学的研究人员也参与了部分研究工作。本研究得到国家基金委杰出青年科学基金(grant no. 20101331722)的资助。


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