863计划最新成果登上《自然》
来自北京生命科学研究所，中科院生物物理研究所，遗传与发育研究院，清华大学生命科学与生物技术系，美国康奈尔大学的研究人员报道了第一个细菌效应蛋白和植物中对应的抗性蛋白的复合物AvrPto-Pto的晶体结构，基于该结构和相关实验结果，提出了AvrPto通过解除Pto对防御响应的抑制引发疾病抗性的机制。 这一研究成果公布在《Nature》杂志上。
文章的通讯作者是来自北京生命科学研究所的柴继杰博士，其实验室主要关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子的结构与功能，主要通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物大分子在结构和功能上的联系。
博士生邢维满为本论文的第一作者，论文的其他作者还有邹艳、刘佳凝、陈涉、罗熙、周俭民博士，康奈尔大学的刘群博士、黄清秋、郝权博士，生物物理所的毕汝昌研究员、遗传所的朱立煌研究员、清华大学的吴嘉炜博士。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，在北京生命科学研究所完成。
原文检索：
Nature advance online publication 12 August 2007 |
doi:10.1038/nature06109; Received 5 July 2007; Accepted 24 July 2007; Published online 12 August 2007
The structural basis for activation of plant immunity by bacterial effector protein AvrPto
[Abstract]
正如动物和人类的抗病能力一样，植物在长期的演化过程中，也形成了许多抵抗病原生物侵袭的能力和特性，其中包括植物自身的抗病性。早在100多年前，人们就观察到对植物接种致病菌及一些病菌产物可以使植物产生对相关病害的抗病作用。自20世纪50年代以来，人们陆续发现真菌、细菌、病毒可诱导烟草、蚕豆、豇豆等多种植物产生抵抗病菌的能力，现代科学研究也说明植物自身具有抗病系统。
2002年同样发表于《Nature》杂志上的文章就报道了植物病原体防御机制的分子基础，麻省总医院的研究人员发现植物有着高效而复杂的免疫系统。作用类似人体肌肤的厚厚的表皮细胞壁就是它们的第一道防线。如果病原体能够穿越这道天然屏障，如通过伤口侵入细胞，病原体通常也会被植物细胞表面或内部的受体识别出来。富含亮氨酸重复单位（Leucine-rich repeat ，LRR)的受体激酶就是植物中最具代表性的病原体识别受体之一。
而在这篇新发表的文章中，研究人员利用蛋白质晶体学、生物化学和遗传学的方法，研究了番茄中的抗性蛋白-蛋白激酶Pto与丁香假单胞杆菌中的效应蛋白AvrPto的复合物，从分子水平上揭示了细菌效应蛋白AvrPto激活植物免疫系统的结构基础。这对深入探讨植物如何识别病原菌的效应蛋白启动防御反应、限制病原菌繁殖的复杂抗病机制有重要的意义。
在这个过程中，研究人员运用克隆、表达和纯化技术制备了AvrPto-Pto复合物，并首次生长出合适的晶体，然后用MAD方法测定了其晶体结构。该复合物的晶体结构揭示了AvrPto 与Pto 相互作用通过两个界面调节。遗传学与生物化学实验表明AvrPto通过解除Pto 对防御的抑制作用而引起抗病反应。生化实验研究结果显示AvrPto的活性loop 的磷酸化对Pto识别AvrPto 具有非常重要的调节作用。结构比对表明AvrPto 作为Pto 的假底物与Pto 结合，AvrPto可能是Pto 激酶的抑制剂。生化实验进一步证明：在体外，AvrPto 的确可以抑制Pto 的激酶活性，提示AvrPto 在易感的植物内通过抑制蛋白激酶的活性发挥其毒性功能，而Pto 可能进化来模拟AvrPto 的毒性目标从而阻断其毒性功能。
附：
柴继杰 博士，研究员
E-mail：chaijijie@nibs.ac.cn
教育经历
1987年 大连轻工业学院化学工程系学士
1997年 中国协和医科大学药物分析学博士
工作经历
2004 中国北京生命科学研究所工作
1999 美国普林斯顿大学分子生物学系做博士后
1997-1999 中国科学院生物物理研究所做博士后
研究概述：
本实验室关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子的结构与功能。主要通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物大分子在结构和功能上的联系。我们并不局限于已建立的研究框架，拟与北京生命科学研究所的其他研究小组合作，在今后的工作中开展一些联合研究项目。
一个正进行的研究方向将关注专职吞噬细胞（professional phagocytes）对调亡细胞的识别途径。近十年来大量的工作已对调亡调控的机制做了详尽的研究。相对的，在细胞调亡后如何去除调亡的细胞残体的问题并没得到关注。（此问题并不是不重要）如果在此环节出现问题将造成炎症反应的异常持续和自身免疫的出现。在吞噬细胞消除调亡的细胞体的过程中，第一步反应是调亡的细胞体和处于调亡过程中的细胞表面出现如磷脂酰丝氨酸（PS）等可被各种吞噬细胞上的受体识别的发出“eat-me”信号的信号分子。近年来的研究发现这一识别过程并不仅仅是此类信号分子与吞噬细胞受体的简单结合。实际上，一类可被其他吞噬细胞的受体识别的桥联分子（bridging molecule）如Annexin I（Anx I）也参与了识别过程。除此，我们还将对“don’t-eat-me”信号的识别机制及溶血磷脂酰胆碱（LPC）等“find-me”信号的产生和调控机制进行研究。前者存于正常细胞，保证这些非调亡的细胞不被错误吞噬；后者为调亡细胞所产生。
是本实验室的另一个研究目标是吞噬细胞识别和吞噬调亡细胞的信号调控的分子机制。前人在线虫（C. elegans）的遗传学筛选工作中发现七个基因产物分别隶属于两条功能上冗余的信号转导系统参与了清除调亡细胞体过程。其中一条信号系统为CED-2/ced-5/CED-12/CED10，这条信号系统保守的存于哺乳类中，其同源信号系统为CrkII/Dock180/ELMO/RAC，我门将从蛋白三维结构的尺度研究这条信号系统的活化和调控机制。
柴继杰博士（右）、邢维满（中）、邹艳（左）
相关报道
访《组蛋白去甲基化酶JHDM1晶体结构研究》课题组负责人柴继杰
科技日报
“那就是柴继杰博士”，在位于昌平区中关村生命科学园的北京生命科学研究所的食堂里，生命科学研究所技术合作与发展办公室的王涛指着一位正在进餐的年轻人告诉记者。远远望去，他坐在一大群年轻人中间，像个学生。
柴继杰是北京生命科学研究所柴继杰实验室的首席研究员，一个有着5年普林斯顿大学分子生物学系的研究经历，每天至少要在实验室呆上12个小时，自称是“crazyscientist”（疯狂的科学家）。
“你们为什么选择这样一个课题？”尽管有些唐突，记者还是单刀直入地发问。
“因为它是当前生物研究领域的热点问题。”谈起他们所研究的课题，柴继杰多少显得有点兴奋，“我们这个研究属于表观遗传学范畴。表观遗传学对基因表达、调控、遗传有重要作用，从而在肿瘤、免疫等许多疾病的发生和防治中具有十分重要的意义。它是生命科学中近年来的一个突出进展，具有十分广泛深刻的研究和应用前景。”
据介绍，表观遗传学是近年来在遗传学中兴起的一个新的具有深远意义的前沿学科，主要研究在没有DNA序列变化的基础上基因表达的可遗传性的改变。
柴继杰说，组蛋白甲基化是表观遗传修饰方式中的一种。既往认为组蛋白甲基化是稳定的表观遗传标记，而组蛋白去甲基化酶的发现对这一观点提出了挑战，也为进一步深入研究组蛋白修饰提供了新的途径。
“JmjC蛋白是最近证明具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶活性的一类蛋白。”柴继杰说，目前证实组蛋白甲基化与去甲基化失平衡与肿瘤发生相关，组蛋白赖氨酸去甲基化酶有可能成为一个新的抗肿瘤治疗靶标。所以，“我们的选题紧跟国际前沿。”
当谈及这个项目的研究意义时，柴继杰说，JHDM1蛋白是第一个被发现含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶，它能够特异性地除去组蛋白H3赖氨酸36位二甲基化和一甲基化修饰，但是不能去除H3赖氨酸36位三甲基化修饰。
“如果能从原子水平上揭示JHDM1蛋白家族的催化机理，决定其选择特异性的分子基础，必将加深我们对组蛋白去甲基化作用在肿瘤发生、生长发育中的作用。同时对于设计小分子抑制剂和药物的开发提供重要依据。”他说。
柴继杰说，通过大量的尝试，我们获得了适合与X射线晶体衍射分析用的JHDM1A酶自身及其与α-酮戊二酸复合物的晶体（这是蛋白质结构解析中最关键的步骤）。通过对解出的晶体结构的对比分析及基于结构指导的功能实验结果（与北京生命科学研究所质谱中心合作），我们发现α-酮戊二酸结合以后JHDM1A蛋白中活性中心附近的一段柔性肽段发生明显的构像变化，而这种变化对于其发挥去甲基化活性至关重要。同时结构与功能分析提示位于活性中心高度保守的S145对于区分不同的赖氨酸甲基化程度起重要作用。
“这些结果对于加深理解依赖于铁和α-酮戊二酸作为辅因子的去甲基化酶机理有重要意义。同时活性中心构像的阐明对于设计抗相关疾病的药物提供了结构依据。”柴继杰最后强调说。
