清华北大发现调控植物根干细胞生长的重要肽激素受体

内容来源：中国教育和科研计算机网

　　5月27日，清华大学柴继杰研究组与北京大学郭红卫教授研究组合作，在《细胞研究》上发表论文《模式序列指引下发现调控植物根分生组织生长的肽激素受体》（Signature motif-guided identification of receptors for peptide hormones essential for root meristem growth），揭示了植物重要肽类激素-根分生组织生长因子（RGFs）的受体是位于植物细胞膜表面的五个受体激酶RGFRs，另一类受体激酶SERKs作为共受体参与RGF信号的传递，阐明了RGF的识别和受体激活的分子机制，并提出了植物小肽激素受体识别密码。

图为RGF受体发现及结构功能研究。

A：RGFR1-RGF1复合物晶体结构及植物小肽类激素识别规律

B：RGFRs调控根分生区生长发育

C：RGF肽激素通过激活受体RGFR和共受体SERK向细胞内传递信号调控根RAM发育。

　　根是植物固着土壤、吸收水分和营养的主要器官。根尖分生组织（RAM）干细胞生长发育对整个根发育和形态建成起着至关重要的作用。根干细胞发育受到众多信号调控，其中根分生组织生长因子（Root meristem growth factors，RGF）作为肽激素信号发挥着重要作用。RGF是一类含有磺酸化修饰的13个氨基酸小肽激素，通过调节根重要转录因子PLT的浓度梯度来维持根干细胞中心（stem cell niche）的稳定，另外其还在植物的向重力生长（gravitropism）、侧根发生、根毛形成以及营养元素磷的响应等方面发挥重要作用。然而RGF的受体至今仍未发现。

图为RGF识别与活化分子机制。

　　最近，清华大学柴继杰研究组通过结构生物学研究，发现了一个普遍存在于植物小肽类激素受体识别的规律：小肽激素的C末端游离的羧基（-COOH）会特异被植物小肽激素受体上的“精氨酸-精氨酸”（RxR）模式序列所识别。通过这一规律，将RGF受体候选对象锁定在含有此模式的一类受体激酶当中。研究组巧妙设计了“分之筛-质谱”新实验方法，于体外成功鉴定出“RGF 配体-受体对”（RGF-RGFR pair），随后获得了RGF-RGFR复合物的2.6A晶体结构。与猜想完全吻合，复合物结构清晰地显示RGF的C末端游离羧基（-COOH）特异地结合在了受体RGFR的（RxR）小肽激素模式识别序列上。同时，研究还惊喜地发现，在RGF的受体上“精氨酸-甘氨酸-甘氨酸”序列（RxGG）特异地识别了小肽激素RGF上的磺酸化修饰。通过受体序列比对，发现一个由五个成员组成的受体激酶亚家族特异地含有此（RxGG）磺酸化模式识别序列，研究组最终找出了RGF的全部五个受体。此外，RGF-RGFR的复合物结构还提示RGF信号通路的起始还需要其他成分参与，通过体外生化实验表明SERK家族成员可能作为共受体参与RGF受体激活。

图为植物小肽激素识别密码。

　　通过与北京大学郭红卫教授研究组合作，在植物体内利用遗传生化的研究方法，最终表明这五个RGFRs确实作为受体来识别RGF肽激素信号而去调控根干细胞维持、根的正常生长发育形态建成以及向重力生长。同时，研究还揭示了RGF肽激素信号发出后，诱导了细胞膜上受体RGFR与共受体SERK的胞外区互作，通过激酶区磷酸化向细胞内传递信号。

　　植物肽激素RGF受体的发现填补了RGF信号通路上缺失的最重要一环，使人们对RGF信号通路的认识向前推进了一步，可以更好地研究分解RGF在植物生长发育中的不同功能，也为植物根尖分生组织RAM的生长发育信号调控提供了新的认识。在RGF受体发现过程中，利用结构生物学提示的规律，巧妙绕过植物遗传冗余的研究难题，为植物学受体-配体研究提供了新思路。通过RGF-RGFR受体配体复合物结构分析，提出了一套完整的植物小肽类激素受体识别规律，可用于指导植物未知小肽激素受体的发现。

　　清华大学生命科学学院2013级博士生宋文和北京大学生命科学学院2013级博士生刘莉为论文共同第一作者。清华大学柴继杰教授、北京大学郭红卫教授和清华大学韩志富博士为共同通讯作者。清华大学生命科学学院博士生王继纵、吴臻、张贺桥、汤娇、林光忠与北京大学生命科学学院博士后王益川、李文阳、温兴参与部分工作。上海同步辐射光源BL17U1 （SSRF）为数据收集提供了及时有效支持。本研究中清华大学的工作得到国家自然基金重点国际合作研究项目、重大科学研究计划、自然科学基金重点项目和清华-北大生命科学联合中心资助。

　　论文链接：http://www.nature.com/cr/journal/vaop/ncurrent/full/cr201662a.html