独脚金内酯受体D14与共受体Max2复合体晶体结构研究

Strigolactone(SL) is very important plant hormone and have a function in inducing suicidal germination of parasitic plant seeds, regulate plant branching and tillering to influence crop yield, interaction with arbuscular mycorrhizal fungi, which facilitate the uptake of soil nutrients by plants, acting as root-derived signals for symbiotic.The signal of SL is induced by its receptor D14 and co-receptor Max2,but the mechanism is not clear as so far.The research of the structure and function of Strigolactone's receptor and co-recptor is closely relevant to critical issues that affect human health, including food, energy, and environment. For example, malnutrition alone due to food shortage contributes to more than 50% of human disease worldwide. Each year, thousands of acres of crops are planted throughout Africa, Asia and Australia only to be laid to waste by a parasitic plant called Striga. These global problems can be partly resolved through research and technology advances in plant sciences, particularly through research on biology of strigolactone, and it has become a hotspot of plant science. The objectives of this project are to unravel the structural and biochemical basis of the structure and function of Strigolactone's receptor and co-recptor.

独脚金内酯（Strigolactone或SL）是一种重要的植物激素，具有诱导寄生植物种子自杀性萌发、调控植物的分枝（从而影响农作物的产量），促进植物与根固氮菌丝共生等生理功能的一种重要激素。独脚金内酯的信号通路主要由其受体D14与共受体Max2介导，但其机制未清楚。研究独脚金内酯受体与共受体的结构与功能与食品、能源及环境等影响人类健康的关键问题紧密相关。目前，全球人口约50%的疾病是由于仅食品不足而导致营养不良的后果。然而每年仅在非洲，亚洲和澳大利亚就有数万英亩的农作物因为寄生植物独脚金杂草而荒废。独脚金内酯生物学的研究，可以帮助解决部分如上问题，其机理研究已成植物科学的一大研究热点。本课题将致力于独脚金内酯受体与共受体结构生物学研究，着眼于解释独脚金内酯信号通路中受体与共受体蛋白复合体的晶体结构，为开发新型的除草剂提供结构基础。

独脚金内酯是近年来发现的一种新型的植物激素，该激素在植物生长发育及适应外界环境变化的过程中具有重要的作用。之前的研究发现，水稻中参与介导独脚金内酯信号通路的核心蛋白包括α/β水解酶D14、泛素连接酶SCFD3的F-box蛋白组分D3，独脚金内酯信号通路的下游还涉及核定位蛋白MOC1以及被新提出的转录调节因子D53。但是，他们并没有明确指出独脚金内酯受体归属问题，同时独脚金内酯信号转导通路机制仍不清楚，我们通过解析独脚金内酯受体D14与配体的复合物结构，深入研究激素与受体识别的分子机制，为我们开发新型除草植物激素提供结构基础。.本研究解析D14以及其同源蛋白AtD14和 KAI2的三维结构，更重要是解析了GR24代谢物与D14活性中心共价螯合结构，奠定了独脚金内酯信号通路中受体与共受体发现的基础，提出独脚金内酯GR24不稳定，并证实D14催化GR24水解。.通过结构生物学和体外功能实验证实D14是独脚金内酯的直接受体。通过尝试共结晶、配体浸泡等方法，解析了D14与完整的GR24的复合物结构。分别通过原核、昆虫细胞表达系统获得MOC1和D3/ASK7，并验证了D14与MOC1以及D14与D3/ASK7之间依赖于GR24的相互作用，大量的点突变验证了D14与GR24直接结合，并鉴定出D3与D14相互作用的界面，揭示了独脚金内酯信号识别和信号转导的重要分子机制，即GR24结合D14后不是引起D14构象变化而是提供一个相互作用界面而介导D14与共受体D3、MOC1等下游蛋白相互作用，进而激发下游的信号通路，这些发现为我们后期改造激素类似物，提供新的思路。.通过与遗传所李家洋实验室紧密合作，创新地发现了水稻矮化多分蘖突变体D53，首次提出了D53蛋白作为一种抑制因素，在水稻独脚金内酯信号途径发挥作用，相关工作刊登在著名杂志《自然》上，该项工作荣获“2014年中国科学十大进展”。.创新地合成新的独脚金内酯类似物用于细胞及植物水平的药效实验，获得靶向独脚金内酯受体的先导化合物，基于解析的复合物结构基础，改变激素的化学结构，增加其化学稳定性，开发新型植物激素提供了新方法，相关工作正在研究并申请专利中。