刘俊峰团队解析茉莉酸氧化酶的结构，为理解茉莉酸参与的防御和生长平衡机制提供新视角

来源：BioArt植物

茉莉酸（jasmonic acid, JA）是高等植物防御系统的重要激素。然而，如果JA长期维持在较高水平，植物的生长将会受到抑制，所以植物需要一些机制来调节JA的水平，从而达到防御和生长的平衡。2017年，荷兰乌特勒支大学（Utrecht University）Guido Van den Ackerveken课题组和法国斯特拉斯堡大学（Universite´ de Strasbourg）的Thierry Heitz课题组同步报道了拟南芥中将JA转化为12-OH-JA的氧化酶，分别将其命名为JASMONATE-INDUCED OXYGENASES (JOX)和Jasmonic Acid Oxidase (JAO)（图1A）。拟南芥的JOX家族包含4个成员（JOX1-4），其中JOX2单独就可以增强拟南芥对灰葡萄孢霉（Botrytis cinerea）的基本防御能力。JOX属于依赖于共底物2-酮戊二酸（2-oxoglutarate, 2OG）和亚铁原子的氧化酶。这类酶一般含有保守的DSBH（distorted double-stranded β-helix）核心，但具有各异的底物选择性。目前，JOX如何特异地识别底物JA的结构机制并不清楚。

图1  JOX催化的反应（A）和JOX2的结构（B）

2021年1月28日，中国农业大学刘俊峰团队联合荷兰Ackerveken团队在Molecular Plant上在线发表了题为Structure-guided Analysis of the Arabidopsis JASMONATE-INDUCED OXYGENASE (JOX) 2 Reveals Key Residues of Plant JOX Recognizing Jasmonic Acid Substrate的研究论文，报道了拟南芥JOX2与底物JA、共底物2OG和Fe的复合物的晶体结构，分析并验证了JOX2 特异性结合JA的分子机制。

该研究发现，JOX2的结构可以分为三个区域：N端结构域（M1-E218）、中间的DSBH核心（N219-P320）、以及较小的C端结构域（K321-R371）。JOX2的总体结构和进化上相近的拟南芥的花青素合成酶（anthocyanidin synthase, 亦即Arabidopsis leucoanthocyanidin dioxygenase，AtLDOX）和白花曼陀罗的莨菪碱羟化酶（Datura metel hyoscyamine 6-hydroxylase, DmH6H）类似：底物和共底物位于DSBH核心，外面被α螺旋和不规则卷曲所包围（图1B）。

进一步分析发现，2OG和Fe位于DSBH的内部，与它们互作的JOX2的氨基酸残基全部属于DSBH核心区，且在同类氧化酶中是保守的（图1B）。而JA位于DSBH开口较大的外部，与其互作的氨基酸不仅有来自DSBH的氨基酸，更多的是来自DSBH区以外的氨基酸，例如与JA的戊烷环形成类似于π-π互作的F157不属于DSBH区，与JA形成氢键的三个精氨酸（R225，R350和R354）中只有R225位于DSBH区（图2A）。作者随后利用体外和体内的方法对基于结构的突变体分析进行了验证，并发现F157和R225这两个氨基酸起到最重要的作用（图2B和2C）。

图2  JOX2结合JA的关键位点（A）及其体外（B）和体内（C）的验证

综上，基于晶体结构模型，结合体外生化分析和体内突变体表型结果，该论文阐明了JOX2特异性识别和结合底物的机制。进一步进行序列比对发现，参与JA互作的关键氨基酸在拟南芥、水稻（被子植物）、云杉（裸子植物）的JOX中保守，表明该识别JA的机制在进化上是保守的，即该研究所阐述的JOX识别底物JA的规律适用于所有利用JOX将JA转变为12-OH-JA的植物。

中国农业大学植物保护学院的博士后张鑫、副教授王冬立为该论文的共同第一作者。中国农业大学植物保护学院的刘俊峰教授和乌特勒支大学的Guido van den Ackerveken教授为该论文的共同通讯作者。乌特勒支大学的Joyce Elberse、荷兰阿姆斯特丹大学的Robert C. Schuurink教授、中国农业大学的彭友良教授、戚琳璐博士和石伟博士为该论文的共同作者。