Nature重磅独脚金内酯感知和信号
前言:
独脚金内酯是一类植物激素，它调节植物生理学的许多方面。在抑制枝条分枝时，具有代谢独脚金内酯的α/β水解酶D14与D3相互作用，泛素化并降解转录抑制因子D53。然而，水解酶如何与D3一起介导激素依赖性D53泛素化仍然是未知的。年11月21日，Nature杂志在线发表了来自华盛顿大学的NingZheng课题组发表题为“StructuralplasticityofD3–D14ubiquitinligaseinstrigolactonesignalling”的研究论文。该研究显示D3的C-末端α-螺旋（D3-CTH）可以在两种构象状态之间切换。处在D3的LRR结构域的D3-CTH可结合无活性闭合构象的CLIM-D14。另一方面，当D3-CTH从LRR结构域释放时，可结合开放构象中的D14，并抑制其酶活性。同时D3-CHD使得D14能够以独脚金内酯依赖性方式募集D53，并反过来激活D14水解酶活性，而催化反应可能在D53完全修饰后发生。因此，该文揭示了植物E3复合体以高度协调的方式协调独脚金内酯传感，底物多泛素化和激素代谢机制！独脚金内酯是一类天然的独脚金醇类化合物的植物激素总称。研究表明,独脚金内酯能诱导寄生植物种子的萌发,促进丛枝真菌菌丝分支及营养吸收，并与生长素和细胞分裂素协同调节植物侧枝发生。迄今为止,所有被发现的天然SL都包含1个ABC三元环和1个完全相同的D环结构及中间1个烯醇醚键连接。不同形式的天然SL主要是ABC环上不同位置的基团修饰引起的。独脚金内酯分子的功能性解剖表明，C和D环及其连接对独脚金内酯活性至关重要，而分离的ABC或D环在植物中无活性。
独脚金内酯的感知和信号传导由三种高度保守的成分协调：水稻中的DWARF3（D3）、D14和D53。D14作为α/β丝氨酸水解酶超家族的成员，不仅是独脚金内酯受体，还可将独脚金内酯代谢为ABC三环和D-环两个产物。水稻中的D3编码F-box蛋白并结合拟南芥SKP1样蛋白（ASK1）以充当SKP1-CUL1-F-box（SCF）泛素连接酶复合物的底物受体。D53基因编码SCF/D3泛素复合体所识别的一个底物,在SL信号诱导下,D53蛋白通过与D14和D3结合形成D53-D14-SCFD3复合体,该复合体被泛素化进而发生蛋白酶体降解。D53蛋白的降解激活了下游相关基因的表达,从而诱导SL信号转导,精确地调控侧芽的伸长（如下图1）。
图1.独脚金内酯抑制水稻分蘖的模型（植物学报ChineseBulletinofBotany,50(5):–）
独脚金内酯信号感知的早期结构研究集中于激素与分离的D14直系同源物（拟南芥种的AtD14）的结合结构。年8月，清华大学谢道昕研究组联合其他研究组综合采用生物化学、结构生物学、分子遗传学、生物质谱、化学合成等多方面的研究手段，最终阐明独脚金内酯信号感知过程。开放状态的AtD14催化中心与各种不同结构式的独脚金内酯分子相结合,水解独脚金内酯并生成可与AtD14催化中心共价结合的D环衍生中间产物CLIM,进而使AtD14蛋白构象转变为可与D3/MAX2相互作用的形式,形成AtD14-D3/MAX2受体复合体,同时D3/MAX2的结合能够稳定闭合状态AtD14的蛋白构象,从而激活独脚金内酯信号转导。该研究揭示了一种全新的“底物-酶配体-受体”的植物激素识别机制（如下图2）。因此，这些结果提出了CLIM可能代表激素活性形式的可能性。然而，通过又鉴定了多种不可水解的独脚金内酯激动剂，使得该模型无法解释！
图2.独脚金内酯信号感知的“底物-酶配体-受体”模型（doi:10./nature）
该研究为了更好地揭示在SCFE3底物识别及其与激素水解的关系的背景下的D14信号传导形式，研究者解析了水稻中的D14-D3-D53复合体的系统结构及功能研究。研究首先确定了与ASK1结合的D3的晶体结构，结构表明D3包含一个N端FBox结构，与ASK1形成接口，而D3的C末端结构域是20个富含亮氨酸的重复序列（LRR）组成完全环化的α-螺旋折叠，并且发现在不同物种中是严格保守的。进一步发现D3的CTH（D3-CTH）可以具有能够在啮合状态和脱离状态之间切换的动态拓扑，表明了D3的CTH的构象具有可塑性（如下图）。
图3.ASK1（绿色）与D3（蓝色）结合，其D3-CTH具有不同的构象
接下来，该研究揭示了D3-CTH的结构特征在D3-D14相互作用中的作用。研究发现了D3-CTH直接与α/β水解酶D14相互作用，同时发现当D3-CTH从LRR结构域移出时，可以与D14相互作用，并且阻断其酶活性（如下图）。
图4.D3-CTH结合并抑制D14活性
接下来，研究者通过重构体外细胞提取物蛋白酶体介导的重组D53降解体系，发现当D3-CTH从D3的LRR结构域释放出来时，D3的C末端区域有助于募集D53，并且与结合D14变得相容。该结果表明D14在SCF-D3-D14蛋白连接酶复合物中的酶活性易受到D53结合的调节，并且这种调节作用取决于D3-CTH的构象状态。
图5.D3-CTH，D53和D14之间的相互作用。
因此，该研究揭示了D3F-box蛋白的结构可塑性，它可以通过改变其CTH的拓扑结构而采用两种不同的结构状态。处在LRR结构域的D3-CTH可结合无活性闭合构象的CLIM-D14。另一方面，当从LRR结构域释放D3-CTH时，D3使用螺旋结构元件通过不同的界面捕获结合激素的D14，其中D14保持其开放构象，能够进一步招募D53。而在结合D53之前，D3阻止结合了独脚金内酯的D14的水解酶活以防止激素过早水解。D53与SCF-D3-D14的激素依赖性结合不仅触发D53多泛素化，而且还使得D14催化独脚金内酯代谢，而催化反应发生在D53完全修饰后（见下图）。因此，该文表明了植物以E3复合体高度协调的方式协调独脚金内酯传感，底物多泛素化和激素代谢。
图6.独脚金内酯感知和信号传导的模型
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