清华、北大合作发表Cell Rep文章解析激素受体

研究揭示了植物重要肽类激素-根分生组织生长因子(RGFs) 的受体是位于植物细胞膜表面的五个受体激酶RGFRs，另一类受体激酶SERKs作为共受体参与RGF信号的传递，阐明了RGF的识别和受体激活的分子机制，并提出了植物小肽激素受体识别密码。

　　

2016年5月27日，清华大学柴继杰教授研究组和北京大学郭红卫教授研究组合作在《细胞研究》上发表《模式序列指引下发现调控植物根分生组织生长的肽激素受体》 （Signature motif-guided identification of receptors for peptide hormones essential for root meristem growth）研究论文，揭示了植物重要肽类激素-根分生组织生长因子(Root meristem growth factors, RGFs) 的受体是位于植物细胞膜表面的五个受体激酶RGFRs，另一类受体激酶SERKs作为共受体参与RGF信号的传递，阐明了RGF的识别和受体激活的分子机制，并提出了植物小肽激素受体识别密码。

根是植物固着土壤、吸收水分和营养的主要器官。根尖分生组织（RAM）干细胞生长发育对整个根发育和形态建成起着至关重要的作用。根干细胞发育受到众多信号调控，其中根分生组织生长因子(RGF)作为肽激素信号发挥着重要的作用。RGF是一类含有磺酸化修饰的13个氨基酸小肽激素，通过调节根重要转录因子PLT的浓度梯度来维持根干细胞中心（stem cell niche）的稳定，另外其还在植物的向重力生长(gravitropism)、侧根发生、根毛形成以及营养元素磷的响应等方面发挥重要作用。然而RGF的受体至今仍未发现。

柴继杰研究组通过结构生物学研究，发现了一个普遍存在于植物小肽类激素受体识别的规律：小肽激素的C末端游离的羧基（-COOH）会特异被植物小肽激素受体上的“精氨酸-精氨酸”（RxR）模式序列所识别。通过这一规律，将RGF受体候选对象锁定在了含有此模式的一类受体激酶当中。接着巧妙的设计了“分之筛-质谱”新实验方法，体外成功鉴定出了“RGF 配体-受体对”(RGF-RGFR pair)，随后获得了RGF-RGFR复合物的2.6A晶体结构。与猜想完全吻合，复合物结构清晰的显示RGF的C末端游离羧基（-COOH）特异的结合在了受体RGFR的（RxR）小肽激素模式识别序列上。同时还惊喜的发现在RGF的受体上“精氨酸-甘氨酸-甘氨酸”序列（RxGG）特异的识别了小肽激素RGF上的磺酸化修饰。通过受体序列比对，发现一个由五个成员组成的受体激酶亚家族特异的含有此（RxGG）磺酸化模式识别序列，最终找出了RGF的全部五个受体。此外，RGF-RGFR的复合物结构还提示RGF信号通路的起始还需要其他成分参与，通过体外生化实验表明SERK家族成员可能作为共受体参与RGF受体激活。通过与北京大学郭红卫教授研究组合作，在植物体内利用遗传生化的研究方法最终表明了这五个RGFRs确实作为受体来识别RGF肽激素信号去调控根干细胞维持、根的正常生长发育形态建成以及向重力生长。同时还揭示了RGF肽激素信号发出后，诱导了细胞膜上受体RGFR与共受体SERK的胞外区互作，通过激酶区磷酸化向细胞内传递信号。

植物肽激素RGF受体的发现填补了RGF信号通路上缺失的最重要一环，使人们对RGF信号通路的认识又推进了一步，可以更好的研究分解RGF在植物生长发育中的不同功能，也为植物根尖分生组织RAM的生长发育信号调控提供了全新的认识。同时在RGF受体发现过程中，利用结构生物学提示的规律，巧妙绕过植物遗传冗余的研究难题，为植物学受体-配体研究提供了新思路。通过RGF-RGFR受体配体复合物结构分析，提出了一套完整的植物小肽类激素受体识别规律，可用于指导植物未知小肽激素受体的发现。

清华大学生命科学学院2013级博士生宋文和北京大学生命科学学院2013级博士生刘莉为共同第一作。清华大学柴继杰教授、北京大学郭红卫教授和清华大学韩志富博士为共同通讯作者。清华大学生命科学院博士生王继纵、吴臻、张贺桥、汤娇、林光忠与北京大学生命科学院博士后王益川、李文阳、温兴也参与了部分工作。上海同步辐射光源BL17U1 (SSRF)为数据收集提供了及时有效的支持。本研究中清华大学的工作得到国家自然基金重点国际合作研究项目、重大科学研究计划、自然科学基金重点项目和清华-北大生命科学联合中心资助。

图 A  RGFR1-RGF1复合物晶体结构及植物小肽类激素识别规律

   B  RGFRs调控根分生区生长发育

   C  RGF肽激素通过激活受体RGFR和共受体SERK向细胞内传递信号调控根RAM发育

原文摘要：

Signature motif-guided identification of receptors for peptide hormones essential for root meristem growth

Peptide-mediated cell-to-cell signaling has crucial roles in coordination and definition of cellular functions in plants. Peptide-receptor matching is important for understanding the mechanisms underlying peptide-mediated signaling. Here we report the structure-guided identification of root meristem growth factor (RGF) receptors important for plant development. An assay based on a signature ligand recognition motif (Arg-x-Arg) conserved in a subfamily of leucine-rich repeat receptor kinases (LRR-RKs) identified the functionally uncharacterized LRR-RK At4g26540 as a receptor of RGF1 (RGFR1). We further solved the crystal structure of RGF1 in complex with the LRR domain of RGFR1 at a resolution of 2.6 Å, which reveals that the Arg-x-Gly-Gly (RxGG) motif is responsible for specific recognition of the sulfate group of RGF1 by RGFR1. Based on the RxGG motif, we identified additional four RGFRs. Participation of the five RGFRs in RGF-induced signaling is supported by biochemical and genetic data. We also offer evidence showing that SERKs function as co-receptors for RGFs. Taken together, our study identifies RGF receptors and co-receptors that can link RGF signals with their downstream components and provides a proof of principle for structure-based matching of LRR-RKs with their peptide ligands.