植物受体反映了信号问题的不同解决方案

2011年6月13日

植物受体反映了信号问题的不同解决方案

萨克研究所研究人员追踪植物类固醇信号的曲折过程

2011年6月13日

拉霍亚——鸟类会这样做，蜜蜂也会这样做，对于大多数生物来说，植物也会这样做。但并不一定像它们的动物对应物那样。一项由索尔克研究所科学家领导的研究表明，植物受体以一种与动物近亲截然不同的方式完成最基本的细胞“它”之一——将激素信号从细胞外部传递到细胞核。了解这一点可能有助于创造促进植物生长和提高农业产量的技术。.

发表于2011年6月12日《科学》杂志预发布网络版的 自然, 一个由…领导的团队 乔安·乔里, 博士、教授、植物分子与细胞生物学实验室主任、霍华德·休斯医学研究所研究员，报告了一种名为BRI1的植物类固醇激素受体的三维结构。.

自上世纪90年代末以来，乔瑞实验室进行了开创性的研究，揭示了植物和动物类固醇的生成途径相似，并且植物像动物一样，利用类固醇来增大体型、调节性别发育和控制生理机能。.

这项新研究通过对转导植物类固醇信号的受体进行分子分析，为这些研究画上了圆满的句号。拥有霍华德·H·和玛丽安·R·纽曼植物生物学讲座教授职位的乔里（Chory）说：“我们之前的遗传学研究表明，与在细胞内结合类固醇的动物类固醇受体不同，植物类固醇受体是膜蛋白，这是一个完全不同的蛋白质类别。”“现在我们知道了类固醇与其受体之间的精确接触点，我们就可以推测BRI1受体是如何工作的。”

这项新研究报告了BRI1的原子结构，然后将其与一个遥远的结构近亲——哺乳动物膜蛋白TLR3——叠加。TLR3在小鼠和人类中可激活先天免疫反应。TLR3的结构由斯克里普斯研究所（TSRI）分子生物学系教授、斯卡格斯研究所成员、本研究的合著者Ian Wilson博士于2005年确定。.

比较证实，尽管与Toll样受体（TLRs）在结构上有些相似，但BRI1穿过细胞膜并监控细胞外环境的结构域展现了植物特有的扭曲和转折。“我们认为BRI1会长得像TLR3，其形状像一个马蹄形，”该研究的第一作者，Chory实验室的博士后研究员Michael Hothorn博士说。“但实际上BRI1却扭曲成了一个超螺旋。”

为了可视化这些弯曲，该小组采用了一种称为 X 射线衍射的技术。该方法要求科学家首先生长高度纯化的 BRI1 细胞外“天线”晶体——在本例中来自芥菜植物。 拟南芥然后用 X 射线轰击晶体。X 射线从晶体反射或“衍射”的方式，使研究人员能够构建出在类固醇激活剂存在或不存在的情况下，蛋白质结构的类比乐高积木的三维模型。.

一个预测是，由油菜素内酯甾体结合引起的结构变化可能类似于TLR启动免疫反应时发生的构象变化。“我们知道，当TLR3马蹄形结构结合激活剂时，另一个马蹄形结构会粘附在其上方，”Hothorn说。“但是BRI1含有一个岛状域，它首先将甾体结合到扭曲的结构上，然后为另一种蛋白质相互作用并传递信号提供了一个平台。”

尽管 TLR3 和 BRI1 等蛋白质的作用是响应环境刺激来改变基因表达模式，但它们的结构差异很可能反映了这些刺激是根本不同的分子。“在哺乳动物中，TLR3 是一种先天免疫受体，当病毒 RNA 等大配体结合到称为 LRR 或富含亮氨酸重复域的高度重复区域时会被激活，”Wilson 说。“BRI1 也是一种 LRR 蛋白，但其结构经过高度专业化，可以识别和响应植物类固醇激素。”

“Michael的结构工作是万里长城的最后一块砖，”Chory说，并指出BRI1是植物中一类大型相似蛋白的原型。有趣的是，BRI1是该家族中的一个例外：虽然它的作用是传递促进生长的信号，但它的许多同类蛋白实际上会刺激植物的免疫反应，保护植物免受昆虫、蠕虫或细菌的侵害。BRI1的同级受体是否也表现出这种扭曲的结构，这为新的研究开辟了道路。.

许多常见的除草剂被设计成模仿植物激素的结构。“因为油菜素内酯是激素，了解其受体的结构将使我们能够理性地设计除草剂，从而阻止激素和受体之间的相互作用，”乔里说。“这将使我们能够控制植物的生长速度和大小——这些性状对于需要很快养活100亿人口的作物来说很重要。”

乔里实验室的Youssef Belkhadir和Tsegaye Dabi，索尔克研究所的Joseph Noel，以及拉霍亚斯克里普斯研究所的Marlene Dreux也为这项工作做出了贡献。.

这项工作的支持来自霍华德·休斯医学研究所、国家科学基金会、欧洲分子生物学组织、国际人类前沿科学计划组织、菲利普基金会、美国国立卫生研究院以及斯克吉斯化学生物学研究所。.

关于索尔克生物研究所：
索尔克生物研究所是世界顶尖的基础研究机构之一，其国际知名的教职人员在一个独特、协作和富有创造性的环境中，深入探究生命科学的基本问题。索尔克科学家们致力于发现和指导未来几代研究人员，通过研究神经科学、遗传学、细胞和植物生物学以及相关学科，在癌症、衰老、阿尔茨海默氏症、糖尿病和传染病的认识方面做出了开创性的贡献。.

学院取得了许多成就，获得了包括诺贝尔奖和美国国家科学院院士在内的无数荣誉。该研究所由脊髓灰质炎疫苗先驱 Jonas Salk 博士于 1960 年创立，是一家独立的非营利组织和建筑地标。.