2024年11月7日，华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授团队联合密歇根大学单立波教授团队在Nature Plants上在线发表了题为Mechanistic study of SCOOPs recognition by MIK2-BAK1 complex reveals the role of N-glycans in plant ligand-receptor-coreceptor complex formation的研究论文。该研究报道了一系列拟南芥和油菜来源的MIK2，MIK2-SCOOP/SCOOPL二元复合物，以及MIK2-SCOOP/SCOOPL-BAK1三元复合物的晶体结构，阐释了其识别与组装机制，并首次发现在小肽的诱导下，蛋白质N-糖基化修饰可直接介导植物细胞膜表面受体与共受体的识别，在激活免疫响应中发挥至关重要的作用。
研究团队首先结合同源蛋白序列比对和生化分析，证实SCOOPs小肽也能诱导油菜MIK2与BAK1组装成复合物，结合植物免疫实验，发现与拟南芥类似的，油菜中也同样存在受体MIK2和共受体BAK1共同感知自身来源的SCOOPs和尖孢镰刀菌来源的SCOOPL小肽，进而激活免疫响应的机制。
研究团队解析了拟南芥和油菜来源的MIK2-SCOOPs二元复合物和MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物晶体结构。SCOOP/SCOOPL小肽（13个氨基酸）主要利用N端保守的SxS基序中两个丝氨酸的侧链及多个其他氨基酸的主链与受体MIK2形成大量氢健相互作用，而C末端3个氨基酸（11-13位）嵌在受体MIK2与共受体BAK1中间，介导了MIK2-BAK1复合物的组装。尤其值得一提的是，SCOOP/SCOOPL小肽C末端的最后一个氨基酸（第13位）卡在一个相对较为狭小且封闭的空间中，提示任何C末端的延伸都会干扰MIK2-BAK1复合物的组装。突变体蛋白互作分析，植物幼苗根长检测和植物免疫响应实验均验证了上述的发现。
十分有趣的是，晶体结构解析过程中产生的电子密度图和质谱分析均表明受体MIK2上靠近SCOOP/SCOOPL小肽最后一个氨基酸（第13位）的结合区域的一个天冬酰胺发生了N-糖基化修饰。在MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物结构中，MIK2上该位点的N-糖基与共受体BAK1形成了直接互作。突变体互作分析、分子动力学模拟等表明MIK2上该位点的糖基化修饰对于SCOOPs小肽诱导的MIK2-BAK1复合物组装至关重要。而在烟草叶片细胞和拟南芥原生质体中进行的亚细胞定位和蛋白含量检测实验表明MIK2上该位点的N-糖基修饰缺失不影响其蛋白含量及膜定位。研究人员进一步构建了将MIK2上这一天冬酰胺突变为天冬氨酸的拟南芥稳定遗传突变体。与野生型相比，突变体几乎丧失了SCOOPs小肽诱导产生免疫响应的能力。综上，该研究首次揭示了N-糖基化修饰可直接介导细胞膜表面受体复合物激活的新机制。
此外，研究人员调查了Protein Data Bank中已经报道的不同植物物种来源的LRR家族受体复合物结构，在其中5个结构中也观察到了受体蛋白连接的N-糖基与共受体或小肽配体存在氢键互作，只是之前的研究论文并未对此现象加以关注和验证。这些结果提示在不同的植物物种中，N-糖基-蛋白相互作用可能是一种普遍存在且进化保守的激活细胞膜表面受体复合物的机制。
图1. SCOOP激活MIK2-BAK1复合物的工作模型
华中农业大学生命科学技术学院博士研究生吴慧敏、万里豪及密歇根大学分子、细胞和发育生物学系的博士后刘尊勇为该论文共同第一作者，华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授和密歇根大学单立波教授为共同通讯作者，华中农业大学熊立仲教授、李姗教授和密歇根大学何平教授参与了本研究。国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和农业微生物学国家重点实验室经费等对本研究提供了资助。
巧合的是，同一天，西湖大学柴继杰教授团队联合河南师范大学等多家研究团队在Nature Plants上在线发表了题为“N-glycosylation facilitates the activation of a plant cell-surface receptor” 的研究论文。该研究团队利用冷冻电镜技术解析了MIK2-SCOOP-BAK1三元复合物的结构，结合突变体蛋白互作分析以及植物免疫实验，同样揭示了N-糖基化修饰可直接介导细胞膜表面受体复合物激活的机制（点击查看：Nature Plants | 柴继杰团队和河南师范大学等多家研究团队合作揭示了N-糖基化修饰促进植物免疫受体激酶激活的新机制）。
徐曙彤教授课题组隶属于华中农业大学、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室和湖北洪山实验室。主要利用X射线晶体学和冷冻电镜等结构生物学手段，结合生物化学、细胞生物学和生物信息学等方法，研究具有重要生物学功能的蛋白质复合物的作用机制。研究方向：（1）细胞膜表面受体感知胞外信号的分子机制；（2）豆科植物-根瘤菌共生固氮中发挥关键作用的蛋白质复合物的组装及调控机制。学术成果发表在Nature Plants，Nature Communications，PNAS等国际主流学术期刊。获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等资助。课题组氛围和谐，诚邀有结构生物学、生物化学或植物遗传研究背景的博士来课题组开展博士后研究。联系方式：xushutong@mail.hzau.edu.cn
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-024-01836-3
