生物通报道  来自清华大学、北京大学、北京生命科学研究所、美国斯坦福大学卡内基研究所（Carnegie Institution for Science）以及郑州大学的研究人员在6月12日的《自然》（Nautre）杂志上发表了题为“Structural insight into brassinosteroid perception by BRI1”的文章。该文章解析了一种重要受体膜蛋白BRI1的晶体结构。基于该结构和相关实验结果，提出了BRI1识别油菜素内酯（brassinosteroids）并被诱导激活的机制。

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领导这一研究的是来自清华大学生命科学学院的柴继杰教授。近年来其领导的实验室主要关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子结构与功能，通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物分子在结构和功能上的联系，并取得了一系列突出成果，曾多次在Nature及其子刊上发表研究论文。

在植物和动物中，受体激酶(receptor-like kinases，RLKs)介导了各种各样的细胞信号传导途径。在动物细胞中，酪氨酸受体激酶和丝氨酸／苏氨酸受体激酶的作用机理在许多报告中已被详细阐明：配体通过识别并结合细胞外受体的相应的功能区，使受体发生双聚作用，引起受体的磷酸化，从而激发其下游的一系列信号的传导。然而，对于植物来说，有关RLKs的相应研究只在最近几年才有一些突破性的工作。虽然在植物的基因组里可以推测到许多植物受体激酶基因的阅读框，但这些受体是怎样进行信号传导还不是很清楚。 在这些植物受体激酶中，最大的一类是富亮氨酸重复(leucine-rice repeats，LRRs)的受体激酶(LRR-RLKS)。在拟南芥中至少含有200多个编码这一类激酶的基因。这类LRR-RLKS参与了各种各样的生物途径，包括分生组织的生长调控，抗病性，激素信号传递，组织发育等。BRI1是LRR-RLKS家族的主要成员，过去的研究表明BRI1受体及其共受体BAK1在一种重要的植物激素油菜素内酯的识别中起重要作用。

在这篇文章中，研究人员报道了BRI1识别BL的晶体结构，结合生化实验提出了BRI1活化的可能机制。结构显示BRI1的胞外部分包括一个N端帽结构域、25个亮氨酸基序、一个C端帽结构域及位于21与22基序之间的岛状结构域。正如典型含丰富亮氨酸基序蛋白结构一样，这些基序串联在一起形成一个高度弯曲的螺旋管状结构，围绕中心轴旋转了360度。与其它含丰富亮氨酸基序蛋白结构有区别的是BRI1由丰富亮氨酸基序形成的螺旋管状结构异常扭曲，相对于第一个基序，最后一个基序通过右手螺旋围饶中心轴上升了60埃。另一显著的特点是在螺旋管的内侧有一个岛状结构域。以前的生化实验认为岛状结构域与临近的亮氨酸基序参与配体油菜素内酯的识别。我们的晶体结构显示岛状结构域确实参与了配体的结合，但是只有岛状结构域是不够的，其需要与临近的亮氨酸基序骨架共同构成一个可以容纳配体的小坑，受体与配体形成了很好的形状与电荷互补，BRI1蛋白与BL识别的作用力主要由疏水相互作用构成，这也可以解释为什么受体可以结合许多结构不同的油菜素内脂化合物。复合物的晶体结构也提示，油菜素内脂的七元B环上的六位酮基氧和23位的羟基对于配体的选择性是需要的。这些结构信息也有助于设计新的非油菜素内脂小分子，以达到根据需求控制植物的性状来满足人类的需要。同时，结合BL后BRI1的两段肽段发生了明显的构像变化，这些现象结合生化实验结果为BRI1受体结合BL后如何活化提供了线索。

这一结构不仅解释了BRI1是如何识别BL的，更重要的是以前人们认为，对于甾类激素例如雌激素主要是由胞浆或核内的受体识别。我们的结构揭示了一种存在于细胞膜上的全新的识别甾类激素的结构域。表明细胞膜上也可以做为甾类激素发挥作用的部位。对于哺乳动物甾类激素膜表面受体的认识也有重要启示意义。

同时，在模式生物拟南芥中有至少含有200多个富含亮氨酸重复的受体激酶（在水稻中大约有600多个），这类LRR-RLKS参与了多种多样的生物过程：调控分生组织的生长、抗病性、激素信号传递、组织发育等。BRI1晶体结构也为研究这一类蛋白提供了很好的范例。

值得指出的是，这是清华大学结构生物学中心继解出脱落酸受体结构后，在植物激素受体领域的又一重大突破。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural insight into brassinosteroid perception by BRI1

Brassinosteroids are essential phytohormones that have crucial roles in plant growth and development. Perception of brassinosteroids requires an active complex of BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 (BRI1) and BRI1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1). Recognized by the extracellular leucine-rich repeat (LRR) domain of BRI1, brassinosteroids induce a phosphorylation-mediated cascade to regulate gene expression. Here we present the crystal structures of BRI1(LRR) in free and brassinolide-bound forms. BRI1(LRR) exists as a monomer in crystals and solution independent of brassinolide. It comprises a helical solenoid structure that accommodates a separate insertion domain at its concave surface. Sandwiched between them, brassinolide binds to a hydrophobicity-dominating surface groove on BRI1(LRR). Brassinolide recognition by BRI1(LRR) is through an induced-fit mechanism involving stabilization of two interdomain loops that creates a pronounced non-polar surface groove for the hormone binding. Together, our results define the molecular mechanisms by which BRI1 recognizes brassinosteroids and provide insight into brassinosteroid-induced BRI1 activation.

作者简介：

柴继杰
博士，教授，博导

工作经历
1983.09－1987.07     大连轻工业学院　　　　　　　学士
1987.09－1991.09     丹东鸭绿江造纸厂　　　　　　助理工程师
1991.09－1994.07     石油化工科学研究院　　　　　硕士
1994.09－1997.07     协和医科大学、药物研究所　　博士
1997.09－1999.08     中科院生物物理研究所　　　　博士后
1999.09－2004.07     普林斯顿大学　　　　　　　　博士后
2004.07－2009.03     北京生命科学研究所　　　　　研究员
2009.03－至今         清华大学生命科学学院　　　　教授

研究领域
结构生物学

研究兴趣
本实验室关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子结构与功能。主要通过蛋白晶体衍射的方法及一些细胞生物学、生物化学等手段阐述这些生物大分子在结构和功能上的联系。我们实验室并不局限于已建立的研究框架，还在与北京生命科学研究所的其他研究小组合作，开展联合研究项目。

一个正进行的研究方向将关注于组蛋白的共价修饰调控基因转录的分子机制，主要集中于组蛋白甲基化及去甲基化酶催化机理的研究。另外，一些调控蛋白如何特异性识别不同的组蛋白的共价修饰也属于我们的研究范围。我们另外的一个研究的领域是有关病原菌与宿主间的相互关系。在植物与动物体中，都编码一类高度保守的蛋白质——NBS-LRR蛋白。这类蛋白对动植物种的免疫反应都具有很重要的作用。但是目前我么对病原体激活这类蛋白从而引起免疫反应的分子机制了解的还很少。我们正试图通过结构生物学的方法结合生物化学手段重点研究这一问题。

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