华中农业大学博士生第一作者发表Nature Plants，揭示激活植物免疫响应的新机制
学术
2024-12-08 21:03
法国
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。该研究通过结构生物学、生物化学、分子动力学模拟、质谱分析和遗传学等多学科方法，深入探讨了植物免疫受体MIK2如何识别SCOOP小肽，并与共受体BAK1组装成复合物的分子机制。此外，这项研究首次展示了N-糖基化修饰能够直接介导植物细胞膜上的受体复合物激活的新机制。作为不能移动的生物，植物必须应对病原菌感染、干旱、寒冷等恶劣环境条件。为了应对这些挑战，植物细胞膜上配备了多种跨膜受体蛋白，它们能特异性地感知外部信号并启动内部信号传导路径，从而调节植物的应激反应。例如，致病性尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）可以引起超过100种植物的枯萎病，是全球五大真菌病害之一。拟南芥的LRR家族受体MIK2能够识别由植物自身分泌的SCOOP小肽及由尖孢镰刀菌产生的SCOOP-like (SCOOPL)小肽，随后招募共受体BAK1，引发模式触发免疫（PTI），帮助植物抵御病原菌。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本研究首先确认了油菜中也存在类似的MIK2和BAK1共同感知SCOOP/SCOOPL小肽并激活免疫响应的机制。为了深入了解SCOOP小肽被MIK2识别的过程及其如何促进MIK2-BAK1复合物的形成，研究人员解析了来自拟南芥和油菜的MIK2、MIK2-SCOOPs二元复合物以及MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物的晶体结构。他们发现SCOOP/SCOOPL小肽主要通过其N端与MIK2形成氢键相互作用，而C末端的三个氨基酸则嵌入MIK2与BAK1之间，促进了MIK2-BAK1复合物的组装。特别是SCOOP/SCOOPL小肽C末端的最后一个氨基酸（第13位）位于一个相对狭窄且封闭的空间中，表明任何C末端的延长都会阻碍MIK2-BAK1复合物的组装。实验结果验证了这一发现，包括突变体蛋白质互作分析、植物幼苗根长检测和植物免疫响应测试。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。 更进一步的是，研究人员在所有解析的晶体结构中都观察到MIK2靠近SCOOP/SCOOPL小肽C末端结合区域的一个天冬酰胺残基（AtMIK2 N410/BnMIK2 N393）带有N-糖基化修饰。质谱分析同样证实了这一点。在MIK2-SCOOPs-BAK1三元复合物结构中，这个N-糖基与BAK1有直接的相互作用。通过突变体互作分析和分子动力学模拟，研究者们证明了AtMIK2 N410/BnMIK2 N393的N-糖基化对于SCOOPs小肽诱导的MIK2-BAK1复合物组装是必不可少的。构建的AtMIK2 N410D拟南芥稳定遗传突变体显示，与野生型相比，该突变体几乎失去了SCOOPs小肽诱导的免疫响应能力。然而，亚细胞定位和蛋白质含量检测实验表明，MIK2上该位点的N-糖基修饰缺失并不影响其蛋白质水平或膜定位。图3. SCOOP激活MIK2-BAK1复合物的工作模型此外，研究人员还检查了Protein Data Bank中已报道的不同植物物种的LRR家族受体复合物结构，发现在5个结构中，受体蛋白连接的N-糖基与共受体或小肽配体之间存在氢键相互作用。这提示我们，在不同植物中，N-糖基-蛋白相互作用可能是一种普遍存在的、进化保守的受体复合物激活机制。总之，本研究不仅揭示了植物免疫受体MIK2识别SCOOP小肽及SCOOPL小肽的结构基础，而且阐述了一种新的机制，即蛋白质N-糖基化修饰可以直接介导植物细胞膜表面受体复合物的组装，进而激活免疫响应。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。![]()
