近日，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、生命科学技术学院、湖北洪山实验室徐曙彤教授团队联合美国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。该研究综合运用结构生物学、生物化学、分子动力学模拟、质谱学和遗传学等手段阐释了植物免疫受体MIK2识别SCOOP小肽，继而与共受体BAK1组装复合物的分子机制，并首次揭示了N-糖基化修饰可直接介导植物细胞膜表面受体复合物激活的新机制。
华中农业大学生命科学技术学院博士研究生吴慧敏、万里豪及美国密歇根大学分子、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美国密歇根大学单立波教授为通讯作者，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。
作为无法移动的有机体，植物经常直面病原菌侵染、干旱、严寒等各种极端环境。植物细胞膜表面存在许多的跨膜受体蛋白，它们能够特异性感知不同的胞外信号，触发构象变化，从而启动细胞内信号通路，调控植物做出应激反应。致病性尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum )能够导致包括油菜、大豆、棉花、番茄和香蕉等100多种植物引发植物枯萎病，被认为是世界上排名前五的真菌病害之一。拟南芥细胞膜表面LRR家族受体MIK2可以同时识别植物自身分泌的SCOOP小肽以及尖孢镰刀菌来源的SCOOP-like (SCOOPL)小肽，继而招募共受体BAK1，引起植物免疫响应PTI（pattern-triggered immunity），促进植物抵御尖孢镰刀菌等病原菌的侵染。
图1、拟南芥和油菜来源的 MIK2，MIK2-SCOOPs二元复合物和MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物晶体结构
研究团队首先结合同源蛋白序列比对、生化分析和植物免疫响应实验，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SCOOP/SCOOPL小肽，进而激活免疫响应的机制。为了探究SCOOP小肽如何被MIK2识别以及如何诱导MIK2-BAK1复合物形成，研究团队解析了一系列拟南芥和油菜来源的 MIK2，MIK2-SCOOPs二元复合物和MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物晶体结构。SCOOP/SCOOPL小肽主要利用N端与受体MIK2形成大量氢健相互作用，而C末端3个氨基酸嵌在受体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。
图2、（a）AtMIK2 N410连接的N-糖基与AtBAK1的互作。（b）ITC实验表明AtMIK2 N410去糖基化极大地损害了AtSCOOP12诱导的AtMIK2-AtBAK1复合物组装。（c）分子动力学模拟显示AtMIK2 N410去糖基化显著降低了AtMIK2- AtSCOOP12-AtBAK1复合物的稳定性。（d-e）AtSCOOP12诱导的MAPK激活和ROS爆发在AtMIK2 N410去糖基化突变体中显著受损。
十分有趣的是，研究人员在解析的所有晶体结构中都观察到受体MIK2上靠近SCOOP/SCOOPL小肽C末端结合区域的一个天冬酰胺（AtMIK2 N410/BnMIK2 N393）存在N-糖基化修饰。质谱分析也证实AtMIK2 N410/BnMIK2 N393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存在直接互作。突变体互作分析和分子动力学模拟等表明AtMIK2 N410/BnMIK2 N393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。研究人员进一步构建了表达AtMIK2 N410D的拟南芥稳定遗传突变体。与野生型相比，该突变体几乎丧失了SCOOPs小肽诱导产生免疫响应的能力。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。
图3. SCOOP激活MIK2-BAK1复合物的工作模型
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受体复合物的机制。
综上所述，本研究解析了植物免疫受体MIK2识别自身分泌的SCOOP小肽以及尖孢镰刀菌来源的SCOOPL小肽的结构基础，并阐述了蛋白质N-糖基化修饰可直接介导植物细胞膜表面受体复合物组装，激活免疫响应的全新作用机制。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01836-3
点分享
点点赞
点在看
