兩軍對(duì)壘，劍拔弩張，一小支先頭部隊(duì)暗地里發(fā)起偷襲。繞過(guò)守衛(wèi)，摸入大營(yíng)，正當(dāng)他們?yōu)槠嬉u得手自鳴得意之時(shí)，環(huán)顧四周，發(fā)現(xiàn)這竟是一座空營(yíng)。說(shuō)時(shí)遲那時(shí)快，埋伏在附近的暗哨點(diǎn)燃了烽火，本想出其不意的先頭部隊(duì)完全暴露了行蹤……
這是一場(chǎng)真實(shí)發(fā)生的“戰(zhàn)役”，只不過(guò)以肉眼無(wú)法觀(guān)察的維度發(fā)生在植物體內(nèi)。在這里，偽裝成“空營(yíng)”的是植物受體激酶Pto，它和“暗哨”Prf蛋白緊密合作，一旦敵軍“先頭部隊(duì)”——能夠使植物患病的病原菌產(chǎn)生的一種效應(yīng)蛋白AvrPto“誤入空營(yíng)”，與Pto結(jié)合，Prf蛋白就迅速被激發(fā)活性，“燃起烽火”，向下游免疫系統(tǒng)傳遞信號(hào)，進(jìn)而提高了植物的抗病性。
這種植物抗病新模型被稱(chēng)為“誘餌模型”，是清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（柴繼杰教授實(shí)驗(yàn)室）聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物體內(nèi)及功能實(shí)驗(yàn)室（周儉民研究員實(shí)驗(yàn)室）和鄭州大學(xué)的重要功能化合物合成及表征實(shí)驗(yàn)室（?？?biāo)教授實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行的“植物油菜素內(nèi)酯等受體激酶的結(jié)構(gòu)及功能研究”課題項(xiàng)目研究成果的一部分。該項(xiàng)目榮獲2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
植物細(xì)胞膜上存在大量的受體激酶，常被用作實(shí)驗(yàn)植物的擬南芥大約有600多個(gè)，而水稻大約有1000多個(gè)，造成誘發(fā)刺激的小分子物質(zhì)有不同形態(tài)，受體激酶也相應(yīng)地有多種不同形態(tài)，“一把鑰匙配一把鎖”，與配體特異性結(jié)合，像“哨兵”一樣激發(fā)活性，傳遞信號(hào)，從而承擔(dān)調(diào)控植物生長(zhǎng)、發(fā)育、抗病和共生的功能。國(guó)內(nèi)外已有一系列針對(duì)受體激酶的遺傳學(xué)研究，而柴繼杰實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)技術(shù)手段，從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度結(jié)合遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)等手段進(jìn)行研究，更加清晰明確地闡釋受體激酶如何發(fā)揮作用、通過(guò)什么物質(zhì)發(fā)揮作用的機(jī)制。
與動(dòng)物不同，大多數(shù)植物無(wú)法自主移動(dòng)，躲避或反擊敵害，這使得免疫對(duì)于植物的生存格外重要，而準(zhǔn)確識(shí)別致病物質(zhì)是免疫的第一步。通過(guò)解析受體與配體結(jié)合后形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)現(xiàn)，一種叫作AtCERK1的植物受體能夠“認(rèn)出”真菌病原體的主要成分——幾丁質(zhì)，受體FLS2則能夠特異性識(shí)別致病細(xì)菌的鞭毛蛋白，對(duì)這兩種病原體的免疫過(guò)程即肇始于此。
同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，在對(duì)細(xì)菌鞭毛的識(shí)別中，另一種物質(zhì)BAK1作為共受體存在，參與植物體免疫受體的活化。有趣的是，被受體激酶Pto識(shí)別的病原菌效應(yīng)蛋白AvrPto同樣可以作用于共受體BAK1，抑制植物的免疫反應(yīng)，從而達(dá)到致病的目的。
AtCERK1識(shí)別幾丁質(zhì)的模式被稱(chēng)為“同源二聚化”，顧名思義，在這個(gè)過(guò)程中，植物細(xì)胞膜上兩個(gè)相同的AtCERK1蛋白胞外區(qū)被幾丁質(zhì)配體誘導(dǎo)二聚化，并激活植物防御反應(yīng)。而在FLS2與BAK1“合作”識(shí)別細(xì)菌鞭毛蛋白的過(guò)程中兩個(gè)不同的蛋白激酶發(fā)生二聚化，即“異源二聚化”。無(wú)論哪一種模式在都提示受體激酶被激活都最少需要兩個(gè)激酶的互作。該研究也由此揭示了植物受體激酶活化的普遍模式——同源或異源二聚化活化，該模式也指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了許多植物受體激酶通路的新成分。
除了植物免疫，該研究還涉及受體激酶在植物激素發(fā)揮作用的過(guò)程中扮演的角色。油菜素甾醇（BR）廣泛存在于各類(lèi)植物中，因其最早在油菜中被發(fā)現(xiàn)而得名，對(duì)于調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用，被認(rèn)定為生長(zhǎng)素、乙烯等五類(lèi)常見(jiàn)植物激素之外第六大植物激素。油菜素內(nèi)酯產(chǎn)生和生效并不在植物細(xì)胞的同一部位，在傳遞運(yùn)輸過(guò)程中，如何準(zhǔn)確識(shí)別應(yīng)當(dāng)發(fā)揮作用的部位，同樣離不開(kāi)植物受體激酶。該研究通過(guò)解析油菜素甾醇的一種——油菜素內(nèi)酯（BL）與其受體BRI1形成的二元復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，以及激素BL、受體BRI1和共受體BAK1結(jié)合形成的三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，首次揭示油菜素內(nèi)酯這種重要植物激素的受體識(shí)別及受體異源二聚化活化的分子機(jī)制。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授柴繼杰是這一項(xiàng)目的第一完成人，他主要運(yùn)用X-射線(xiàn)晶體學(xué)研究植物受體激酶和NOD樣受體的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，經(jīng)過(guò)十幾年研究，取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果，對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)得到了國(guó)內(nèi)外同行的高度認(rèn)可。在同事、學(xué)生眼中，柴繼杰兼具創(chuàng)新的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，對(duì)科研工作有極高熱忱，每天風(fēng)雨無(wú)阻與實(shí)驗(yàn)室其他成員就實(shí)驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行討論、爭(zhēng)辯，每天從實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)滴進(jìn)展中收獲激動(dòng)。2017年6月，由于在受體激酶結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域的杰出成就，柴繼杰獲得了德國(guó)馬普植物遺傳與育種研究所“洪堡”教授獎(jiǎng)。鄭州大學(xué)?？?biāo)、清華大學(xué)韓志富、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李磊及鄭州大學(xué)宋傳君分別為項(xiàng)目第二至第五完成人。
憑借AvrPto-Pto誘餌模型、油菜素內(nèi)酯受體識(shí)別、AtCERK1 特異性識(shí)別幾丁質(zhì)、受體FLS2 和共受體BAK1識(shí)別致病菌鞭毛蛋白、AvrPto抑制共受體BAK1這五項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，“植物油菜素內(nèi)酯等受體激酶的結(jié)構(gòu)及功能研究”獲得了國(guó)內(nèi)、國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)，在《自然》《科學(xué)》等頂尖學(xué)術(shù)雜志共發(fā)表8篇代表論文，獲得SCI他引744 次。學(xué)術(shù)成就之外，在實(shí)踐應(yīng)用層面，此研究對(duì)于作物抗病性的提高及良種植物的培育等同樣具有重要意義。
