蛋白质设施核磁用户最新Nature成果---发现水稻通过释放泛素制动器来激活由OsCERK1介导的免疫反应

　　

蛋白质设施核磁用户最新Nature成果---发现水稻通过释放泛素制动器来激活由OsCERK1介导的免疫反应

 

       北京时间5月15日，中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余团队、王二涛团队以及何祖华院士团队在水稻免疫机制研究上取得了重大突破。该成果以“Release of a ubiquitin brake activates OsCERK1-triggered immunity in rice（水稻通过释放泛素制动器来激活由OsCERK1介导的免疫反应）”为题，在国际顶级学术期刊《自然》上发表，为深入理解植物如何巧妙使用免疫系统这把双刃剑协调抗病、共生和生长的平衡奠定了理论基础。

       研究发现了一种名为OsCIE1（E3酶）的调控蛋白能够束缚OsCERK1激酶活性。在无病原菌侵染的时期，OsCIE1能够像“刹车闸”一样，将泛素分子连接到OsCERK1蛋白表面，抑制OsCERK1的激酶活性，防止免疫过度激活。然而，当水稻面临病原真菌入侵时，真菌细胞壁上的长链几丁质迅速诱导OsCERK1的激酶活性。该激酶将磷酸基团分子添加至OsCIE1蛋白表面的关键区域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，从而解除“刹车闸”的束缚。此时，免疫信号通路被OsCERK1成功激活，启动植物免疫反应，抵抗病原菌的侵染。

       科研人员精确鉴定了控制OsCIE1“刹车闸”松紧的关键位点Ser237。当Ser237位点被OsCERK1磷酸化修饰时，如同刹车闸失效，OsCERK1便可展现其威力，积极抵御外敌。而一旦Ser237位点未被磷酸化，刹车闸再次发挥作用，OsCERK1则恢复平静。为了探究磷酸化是如何调控OsCIE1的活性，张余研究组通过晶体学方法解析了OsCIE1中U-box结构域与E2蛋白的复合物结构。从结构中，研究人员观察到Ser237位点处于U-box与E2的关键互作界面上，推测Ser237的磷酸化会破坏泛素分子的传递，从而抑制了OsCIE1的活性。研究人员将Ser237突变为天冬氨酸来模拟磷酸化状态，利用核磁共振技术解析了U-box^WT以及U-box^S237D突变体在溶液中的结构（如下图1所示）。

 

图1. U-box^WT以及U-box^S237D的核磁共振溶液结构及突变位点关键NOE信息

 

       抵御外敌的同时，OsCERK1控制水稻菌根共生的建立，使丛枝菌根真菌进入植物根系，并利用其发达的菌根网络协助水稻更高效地吸收磷、氮等关键营养物质，促进水稻的生长发育。因此，该研究揭示了OsCIE1这一“刹车闸”，及其“松闸”的Ser237磷酸化位点（如下图2所示），在植物免疫和共生中的作用，不仅阐明了植物协同调节免疫、共生和生长发育的分子机制，同时也为未来绿色农业生产提供了基因资源。

 

图2. OsCIE1介导的泛素蛋白“制动器”调控OsCERK1共生产量/免疫平衡的机制示意图

 

       该成果在国家蛋白质科学研究（上海）设施核磁共振分析系统的600兆和800兆核磁谱仪完成核磁全套数据收集，解析了U-box^WT以及U-box^S237D突变体在溶液中的结构。从NOESY谱中可以看到，当Ser237突变为Asp237后，突变位点与所在loop对面的残基Cys234的NOE消失，表明突变改变其所在loop的构象。结构显示关键氨基酸Ser237在溶液中呈现朝内和朝外两种构象，朝外可被磷酸化，朝内可稳定与E2互作的loop的结构。当Ser237突变为模拟磷酸化的天冬氨酸时，所有结构的侧链都呈现朝外的构象，该构象破坏了E2互作loop的稳定性同时模拟磷酸的基团也将妨碍U-box与E2的结合，从而阻断泛素分子的传递。

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07418-9