两篇Nature揭示植物分枝激素独脚金内酯的感知机制

两篇Nature揭⽰植物分枝激素独脚⾦内酯的感知机制
独脚⾦内酯（strigolactone，SL）是新发现的⼀种重要植物激素，在植物分枝和⽣长发育中具
有重要的作⽤。

近年来，关于独脚⾦内酯的⽣物合成，⽣理作⽤机制以及信号转导的研究取得
了重要进展。

2013年，李家洋院⼠课题组和万建民院⼠课题组背靠背发表了两篇Nature，报道
了独脚⾦内酯信号转导分⼦机制。

2016年清华⼤学谢道昕教授团队与合作者在Nature（Yao et
al., 2016）上发表论⽂，⾸次证明了D14 蛋⽩是同时具有酶和受体双重功能的新型激素受体，
并对D14 感知 SL 的过程，提出了＂闭合状态＂假说模型。

Nature 同期的News & Views也对该
⼯作做了评述和推荐。

独脚⾦内酯受体及其相关识别机制的发现，为深⼊了解独脚⾦内酯的作
⽤机制奠定了重要基础。

2018年11⽉，美国华盛顿⼤学教授 Ning Zheng 团队在Nature 上发表
了⼀篇论⽂ (Shabek et al., 2018)，再次证明D14 蛋⽩是SL的受体，但是对于 SL 的信号传导过
程，提出了＂开放状态＂假说模型。

两项研究都确定了 D14 是 SL 的受体，然⽽两项⼯作为何
提出了不同的感知模型？
研究背景
独脚⾦内酯（strigolactone，SL）作为⼀种最新被发现的植物激素【1,2】，参与调控植物分枝
这⼀重要农艺性状及其它⽣长发育过程。

⽬前已鉴定的所有天然SL分⼦都是萜类⼩分⼦化合
物，在化学结构上都包含⼀个三环内酯（ABC环）和⼀个由烯醇醚键连接在⼀起的单环内酯（D
环）（图1）。

天然 SL 分⼦结构的多样性是由 ABC-ring 的变化引起的，⽽其 D-ring 则严格保
持不变【3】。

图1. 独脚⾦内酯（strigol）的分⼦结构
通过分析拟南芥、⽔稻、豌⾖等模式植物的多分枝突变体，SL 调控植物分枝的分⼦机制研究取
得了显著进展。

其中⼀个重要的发现是，D14 蛋⽩作为α/β⽔解酶具有催化中⼼（开放状态的
催化中⼼可以结合 SL 分⼦）、并把 SL 分⼦⽔解为 ABC 环及 D 环这两个都没有⽣物活性的⽔
解终产物，然⽽，该⽔解过程却是 D14 调控植物分枝的必要条件：⼀旦 D14 失去⽔解功能（如
催化中⼼发⽣突变），突变体植物就不能正常调控分枝、表现为异常的多分枝【4】。

同样重要
的发现是，⽔稻中的 SL 通路抑制蛋⽩ D53 和 F-box 蛋⽩ D3（拟南芥中同源蛋⽩为 MAX2）参
与 SL 介导的植物分枝调控。

SL 促进 D14 分别与 D3 及 D53 相互作⽤，D3 进⽽参与泛素化
D53 并使之通过 26S 蛋⽩酶体降解，从⽽解除 D53 对 SL 信号通路的抑制作⽤，其下游基因得
到表达，调控植物正常分枝【5,6】。

受体研究突破
SL 受体研究⼀直是引⼈关注的重要科学问题，研究⼈员推测 D14、D3、D53 均有可能作为受
体或共受体参与 SL 信号的感知。

直到 2016年Nature 期刊报道【7】，清华⼤学教授谢道昕、
饶⼦和、娄智勇等研究⼈员，通过对 D14 和突变蛋⽩ D14-G158E 的⽣物化学和分⼦遗传学鉴
定、对 D3-ASK1 蛋⽩质的晶体结构分析、对 SL 诱导的 D14-D3-ASK1D14 蛋⽩复合体的晶体
结构和⽣物质谱分析，发现 D14 蛋⽩是同时具有酶和受体双重功能的新型激素受体。

D14 ⽔解
各种不同结构式的 SL 分⼦，都⽣成相同的来源于 SL D环的、共价结合催化中⼼的活性分⼦
CLIM，其构象发⽣变化，关闭了催化中⼼的盖⼦（lid），使 D14 从＂开放状态＂变构为＂闭合
状态＂、形成新的界⾯去结合 D3。

该研究还发现 D3 因结合＂闭合状态＂的 D14、可在体外抑
制 D14 对 SL 的⽔解功能，并揭⽰了 D14-D3 之间⼴阔的相互作⽤⾯及其在 SL 信号传递中的重
要功能。

该研究表明，D14 在⽔解 SL ⽔解过程中发⽣重⼤构象变化（D14的盖⼦关闭）、从＂
开放状态＂变构为＂闭合状态＂；该＂闭合状态＂的 D14 结合 D3、形成 D14-D3 复合体，进
⽽招募 D53 并介导其泛素化降解、触发 SL 信号传导链（图2）【7】。

与该模型相印证的⼯作
来⾃于法国 Jean-pierre Bourgin 研究所教授 François-didier Boyer、Catherine Rameau和美国
Salk 研究所教授Joanne Chory等研究⼈员的报道，他们也发现了受体 D14 与活性分⼦ CLIM 的
共价结合，并强调该共价结合的受体-激素复合体的形成是 SL 发挥⽣理功能所必须的【8】。

图2. SL 受体 D14 调控植物分枝的两种理论模型
2018年，Nature 期刊再次报道【9】，美国华盛顿⼤学教授 Ning Zheng 等研究⼈员解析了
D3-ASK1 复合体三种构象的晶体结构（ASK1蛋⽩起稳定D3的作⽤），发现 D3 的其中⼀种构
象与2016年报道的 D3-ASK1 以及 D3-ASK1-D14-CLIM 中的 D3 构象相近，⽽在余下的两种构
象中，D3 C末端的LRR20（CTH）脱离了整个 LRR domain。

使⽤⾼浓度体外重组表达的D3
CTH区域的⼀段⼩肽（D3-CTH，14个氨基酸残基），在体外可以抑制 D14 对 SL的⽔解功能。

Ning Zheng等研究⼈员进⼀步将 D3-CTH 融合到 D14 的N端、表达为⼀个嵌合蛋⽩（D3-CTH-
D14），并解析了 SL 类似物 GR24 处理下的该嵌合蛋⽩的晶体结构。

在这个嵌合蛋⽩的结构模
型中，D3-CTH 结合＂开放状态＂的 D14（D14的盖⼦没有关闭，仅发⽣了细微的旋转），电⼦密度显⽰该＂开放状态＂D14 的催化中⼼含有⼀个从体积⼤⼩上看类似于 D环的分⼦。

研究⼈员认为，D14 结合未⽔解的完整的SL分⼦时，构象发⽣轻微变化，仍处于＂开放状态＂；该＂开放状态＂的 D14 结合 D3 蛋⽩、形成 D14-D3 复合体，进⽽招募 D53 并介导其泛素化降解、触发 SL 信号传导链（图2）【9】。

总之，2016年谢道昕等的研究⼯作和2018年Ning Zheng等的研究结果均表明，D14 蛋⽩是同时具有酶和受体双重功能的新型激素受体。

但是，对于 D14 作为受体感知 SL 的具体过程，两个研究团队基于各⾃的研究结果、分别提出＂闭合状态＂或＂开放状态＂的 D14 触发 SL 信号传导链的两种假说模型（图2）。

两种模型的主要区别在于，前者利⽤ D14 和 D3 两个具有正常功能的全长蛋⽩质，解析了 SL 诱导形成的 D14-D3 蛋⽩复体的晶体结构，发现＂闭合状态＂的D14 招募 D3 蛋⽩触发 SL 信号传导链；后者则将 D3 的14个氨基酸残基与 D14 进⾏融合得到了⼀个可能⽆法发挥正常功能的嵌合蛋⽩，解析了 SL 处理下的嵌合蛋⽩的晶体结构，推测＂开放状态＂的 D14 招募 D3 蛋⽩触发 SL 信号传导链。

模型的验证与挑战
1采⽤ SL 受体激动剂来检验两种模型
⽬前报道的绝⼤部分 SL 受体激动剂具有由烯醇醚键连接的D环，在理论上均可被α/β⽔解酶催化⽔解，仅有极少数为⾮⽔解激动剂，其⽣理活性也远低于可⽔解的 SL 类似物 GR24 等分⼦，进⼀步暗⽰ SL 的⽔解过程在 SL 信号感知过程中具有重要作⽤【10】。

另外，也有观点认为这些⼈⼯合成的⾃然界不存在的⾮⽔解激动剂分⼦也可能结合在了受体其它未知部位去发挥作⽤【10】。

然⽽，⽬前发现的⾮⽔解激动剂，主要作⽤于 HTL/KAI2 蛋⽩调控种⼦萌发
（HTL/KAI2是D14的旁系同源蛋⽩），暂⽆作⽤于 D14 且调控植物分枝的报道，其作⽤机理更未阐明。

因此，⽬前⽆法利⽤⾮⽔解激动剂检验这两种模型。

尽管如此，⾮⽔解激动剂的作⽤机理在理论上均可被上述两种 D14 的⼯作模型所解释（图3）。

当然，适合于天然 SL 分⼦的理论模型没有必要适合所有⼈⼯合成的⾮天然激动剂，这些⾮天然激动剂也可能以完全不同的机制发挥作⽤【10】。

图3. D14 激动剂调控植物分枝的理论模型
2采⽤d14 遗传突变体来检验两种模型
通过遗传突变策略获得⼀类d14 突变体植株，它们含有的 D14 突变蛋⽩能结合未⽔解的完整SL 分⼦，却⽆法由＂开放状态＂变构为＂闭合状态＂。

谢道昕等的模型表明＂闭合状态＂的
D14 结合 D3 触发 SL 信号链，⽽这类d14 突变体植株缺乏＂闭合状态＂的 D14 受体，不能正常结合 D3，因此不能正常调控分枝，将表现为异常的多分枝。

Ning Zheng 等的模型则表明＂开放状态＂的 D14 结合 D3 触发 SL 信号链，这类d14 突变体植株中存在＂开放状态＂的 D14受体、可正常结合 D3，因此将表现为正常分枝。

所以，观察这类d14 突变体植株的分枝表型就可以检验两个模型的可靠性：植株分枝异常则表明前者模型可靠，植株分枝正常则表明后者模型可靠。

迄今为⽌，⼰报道的实际观察结果表明，这类d14突变体植株分枝异常，验证了谢道昕等提出的模型的可靠性（图4、图5）：
①d14-5突变体中的 D14 蛋⽩发⽣了 G158E 单个氨基酸突变（D14-G158E）。

由于 G158E 位点位于 D14 的盖⼦上、影响了 D14 盖⼦的关闭，阻碍 D14 变构为＂闭合状态＂，却可以⾼效结合并⽔解 SL。

该位点处于 D3-CTH 的结合位点之外，也不影响 D14-G158E 与 D53（拟南芥中的同源蛋⽩SMXL）的相互作⽤。

该d14-5突变体不能正常调控其分枝、出现异常的多分枝【7】，符合谢道昕等提出的模型（图4）。

图4. 具酶活d14 突变体（多分枝）对两种理论模型的检验
②当 D14 发⽣ H247A 氨基酸突变时，不会显著影响与SL分⼦的结合【11】，但由于 H247A 位于 D14 的催化中⼼，D14-H247A 蛋⽩⽆法催化 SL 的⽔解，不会出现由 SL ⽔解所诱导的＂闭合状态＂。

含有该 D14-H247A 蛋⽩的d14突变体植株分枝异常【4】，符合谢道昕等提出的模型（图5）。

图5. ⽆酶活 D14突变体（多分枝）对两种理论模型的检验
另外，Ning Zheng等基于⼀个嵌合蛋⽩的晶体结构（D3 的14个氨基酸残基 D3-CTH 与 D14 进⾏N端融合形成⼀个可能⽆法正常发挥功能的嵌合蛋⽩），提出了 D3 结合＂开放状态＂的活化D14 的模型；通过发现⾼浓度的 D3-CTH ⼩肽抑制 D14 ⽔解 SL 功能的现象，推测了全长 D3功能蛋⽩结合＂开放状态＂D14 从⽽抑制 D14 酶活的机理；通过发现嵌合蛋⽩的晶体中岀现GR24 的⽔解产物 D环分⼦，推断该 D环⼩分⼦代表未⽔解的完整的 GR24 分⼦。

Ning Zheng 等的核⼼结论主要基于上述推测或推断。

然⽽，融合在 D14 蛋⽩上的 D3-CTH（14个氨基酸残基）的结合⽅式，能否反映 D3 全长蛋⽩结合＂开放状态＂ D14 的⽅式？此时＂开放状态＂
D14 中的 SL 分⼦是否已发⽣⽔解？D3 全长蛋⽩能否通过结合＂开放状态＂D14 去抑制 D14⽔解 SL 的活性？这些疑问均有待验证。

利⽤ D3 全长蛋⽩与 D14 突变蛋⽩（D14-G158E）进⾏ SL ⽔解活性抑制实验和蛋⽩复合体结构解析，可以进⼀步检验Ning Zheng等提出的模型。

最后，值得⼀提的是，上述两个模型并不相互排斥，可以相互融合，两者都揭⽰ D14 是 SL 的受体，都认为＂闭合状态＂的 D14 可以结合 D3、招募 D53 并介导其泛素化降解【7,9】。