上海光源用户在植物激素受体识别机制上取得重要突破

2016年8月1日，清华大学生命科学学院谢道昕教授与医学院娄智勇教授、饶子和院士等合作在《自然》（Nature）在线发表了题为《DWARF14蛋白是植物激素独脚金内酯的受体》（DWARF14 is a non-canonical hormone receptor for strigolactone）的研究论文，阐明了植物激素独脚金内酯的受体D14，发现了新型的激素活性分子CLIM，并揭示了一种全新的“底物-酶-活性分子-受体”激素识别机制。《自然》同期的News & Views专文评述了该工作的重大科学意义。

激素对于生物的生长发育、新陈代谢和繁衍生息等各种生命活动起重要调节作用；阐明激素的受体识别机制，对于揭示生命现象的本质、提高生物的生存和发展能力具有重要意义。生物学领域历经一个世纪的科学探索、建立了受体可逆地结合和释放配体分子的“受体-活性分子”识别规律；迄今发现的所有经典动植物激素的受体都是可逆地结合激素活性分子、调控生物的各种生命活动。

植物科学领域至今已经阐明了生长素、赤霉素、乙烯、细胞分裂素、脱落酸、油菜素内酯、茉莉素、水杨酸和独脚金内酯九类经典激素的受体，谢道昕教授及其合作者阐明了其中茉莉素和独脚金内酯两类重要激素的受体。2009年发现的茉莉素的受体COI1蛋白，遵循生物学领域经典的“受体-活性分子”识别规律、可逆地识别激素活性分子JA-IIe，调控植物的防御反应和生长发育。2016年8月1日最新发表的工作则阐明了独脚金内酯的受体D14，并揭示了一种新型的“底物-酶-活性分子-受体”识别机制：受体D14既生成激素活性分子、又不可逆地结合激素活性分子，调控植物分枝等重要生长发育过程。植物分枝是农业生产中的一个重要农艺性状，对于作物的产量有重要影响；独脚金内酯作为新型植物激素，不仅调控植物分枝等重要生长发育过程，还作为根际信号调节“植物与共生真菌”及“植物与寄生杂草”的互作。

在该项研究中，研究人员利用上海光源生物大分子晶体学线站（BL17U1）解析了独脚金内酯诱导形成的D14-D3-ASK1复合物晶体结构，综合采用生物化学、结构生物学、分子遗传学、生物质谱、化学合成等多方面的研究手段，通过对D14、突变蛋白D14(G158E)和突变植物d14-5的生物化学和分子遗传学鉴定，以及对独脚金内酯诱导形成的D14-D3-ASK1复合物的生物质谱、生物化学和晶体结构的分析，发现受体D14蛋白水解各种不同结构式的独脚金内酯分子，生成同一来源于独角金内酯D-环的活性分子CLIM、将CLIM完全包裹在其催化中心并以共价键方式不可逆地结合CLIM、招募F-box蛋白D3、触发激素信号传导链；该研究还发现，受体D14蛋白在生成激素活性分子、感知活性分子和招募F-box蛋白的过程中发生了巨大的构象变化，揭示了D14-D3的精细互作面及其在独脚金内酯信号通路中不可或缺的作用，并在植物体内鉴定了与受体D14通过共价键结合的独脚金内酯活性分子CLIM。

图：植物激素独脚金内酯（Strigolactone, SL）受体识别的分子机制