Nature | 柴继杰组揭示植物受体激酶FER识别配体RALF的分子机制

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拟南芥基因组编码600余个受体样激酶 (Receptor like kinase, RLK) 基因，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，在植物各项生理过程中发挥重要作用。在过去十年间，清华大学生命学院柴继杰研究组致力于植物RLK的结构与功能研究，逐步揭示了LRR-RLK、LysM-RLK、G-type Letin-RLK三大亚家族识别配体的分子机制。柴继杰教授也因“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) 是植物受体激酶CrRLK1L亚家族的明星成员，其在生殖【1】、生长【2】、免疫【3】三大植物生理过程中均发挥着重要作用。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通过其受体FER调节植物生长【2】， RALF23通过其受体FER调节植物免疫【3】。拟南芥Lorelei (LRE) 及LLG1/2/3家族是一类胞外糖基磷脂酰肌醇(GPI)膜锚定蛋白，有研究表明其是FER信号通路的重要参与者【4】。然而，人们对于受体激酶CrRLK1L亚家族如何识别配体RALF的分子机制并不清楚。

2019年7月11日，清华大学生命学院柴继杰课题组与英国The Sainsbury Laboratory的Cyril Zipfel课题组合作在Nature发表题为Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex的研究论文，揭示了植物多肽RALF23被CrRLK1L型受体激酶FER与膜锚定GPI蛋白LLG2异型受体复合物识别的分子机制。

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-LLG1和RALF23-LLG2-FER复合物等五个晶体结构。结合生化和植物体内功能研究，揭示了LLG1/2/3可以直接识别RALF23，并在配体RALF23的诱导下形成新的作用面以结合受体激酶FER，使FER-LLG1/2/3这一异型受体复合物共同完成对配体RALF23的识别。该项研究还表明，RALF23保守的N末端的序列足以诱导FER-LLG1/2/3复合物的形成，并依此发现了一系列FER-LLG1/2/3的新配体。此外，该项研究还揭示了LLG1/2/3的C末端的构象柔性对其识别RALF非常重要。

图：FER-RALF23-LLG2结构模式图

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，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。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chaperone，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蛋白同样可作为受体直接识别配体，介导植物细胞膜内外信号的转导。动物Malectin蛋白是内质网内特异性识别糖类分子的蛋白，本项究表明，FER的特征性串联Malectin结构域参与对RALF的特异性识别，这说明动植物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。

综上所述，本项研究揭示了植物多肽RALF被CrRLK1L型受体激酶与膜锚定GPI蛋白异型受体复合物识别的分子机制，为植物相关受体激酶以及GPI膜锚定蛋白的结构功能研究提供了全新的范式。

据悉，清华大学生命学院2015级博士研究生肖裕、The Sainsbury Laboratory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The Sainsbury Laboratory的Cyril Zipfel教授为本文的共同通讯作者。另外，The Sainsbury Laboratory的Thomas A. DeFalco、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。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1409-7

参考文献

1. Escobar-Restrepo JM, Huck N, Kessler S, Gagliardini V, Gheyselinck J, Yang WC, Grossniklaus U. The FERONIA receptor-like kinase mediates male-female interactions during pollen tube reception. Science. 317(5838):656-60 (2007).

2. Haruta M, Sabat G, Stecker K, Minkoff BB, Sussman MR. A peptide hormone and its receptor protein kinase regulate plant cell expansion. Science. 343(6169):408-11 (2014).

3. Stegmann M, Monaghan J, Smakowska-Luzan E, Rovenich H, Lehner A, Holton N, Belkhadir Y, Zipfel C. The receptor kinase FER is a RALF-regulated scaffold controlling plant immune signaling. Science. 355(6322):287-289 (2017).

4. Li C, Yeh FL, Cheung AY, Duan Q, Kita D, Liu MC, Maman J, Luu EJ, Wu BW, Gates L, Jalal M, Kwong A, Carpenter H, Wu HM. Glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins as chaperones and co-receptors for FERONIA receptor kinase signaling in Arabidopsis. Elife. 8;4 (2015).