柴继杰实验室在《Nature》上发表文章

2007年8月12日，我所柴继杰实验室在《Nature》杂志上在线发表题为  “The  structural  basis  for  activation  of  plant  immunity  by  bacterial  effector  protein  AvrPto”  的文章。该文章报道了第一个细菌效应蛋白和植物中对应的抗性蛋白的复合物AvrPto-Pto的晶体结构，基于该结构和相关实验结果，提出了AvrPto通过解除Pto对防御响应的抑制引发疾病抗性的机制。

植物的抗性蛋白精确识别病原菌中的效应蛋白,对引发植物防御响应非常重要。利用蛋白质晶体学、生物化学和遗传学的方法，研究了番茄中的抗性蛋白-蛋白激酶Pto与丁香假单胞杆菌中的效应蛋白AvrPto的复合物，从分子水平上揭示了细菌效应蛋白AvrPto激活植物免疫系统的结构基础。该研究对深入探讨植物如何识别病原菌的效应蛋白启动防御反应、限制病原菌繁殖的复杂抗病机制有重要的意义。

运用克隆、表达和纯化技术制备了AvrPto-Pto复合物，并首次生长出合适的晶体，然后用MAD方法测定了其晶体结构。该复合物的晶体结构揭示了AvrPto  与Pto  相互作用通过两个界面调节。遗传学与生物化学实验表明AvrPto通过解除Pto  对防御的抑制作用而引起抗病反应。生化实验研究结果显示AvrPto的活性loop  的磷酸化对Pto识别AvrPto  具有非常重要的调节作用。结构比对表明AvrPto  作为Pto  的假底物与Pto  结合，AvrPto可能是Pto  激酶的抑制剂。生化实验进一步证明：在体外，AvrPto  的确可以抑制Pto  的激酶活性，提示AvrPto  在易感的植物内通过抑制蛋白激酶的活性发挥其毒性功能，而Pto  可能进化来模拟AvrPto  的毒性目标从而阻断其毒性功能。

博士生邢维满为本论文的第一作者，论文的其他作者还有邹艳、刘佳凝、陈涉、罗熙、周俭民博士，康奈尔大学的刘群博士、黄清秋、郝权博士，生物物理所的毕汝昌研究员、遗传所的朱立煌研究员、清华大学的吴嘉炜博士。柴继杰博士为本文通讯作者。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，在北京生命科学研究所完成。

        来自北京生命科学研究所，中科院生物物理研究所，遗传与发育研究院，清华大学生命科学与生物技术系，美国康奈尔大学的研究人员报道了第一个细菌效应蛋白和植物中对应的抗性蛋白的复合物AvrPto-Pto的晶体结构，基于该结构和相关实验结果，提出了AvrPto通过解除Pto对防御响应的抑制引发疾病抗性的机制。这一研究成果公布在《Nature》杂志上。

        文章的通讯作者是来自北京生命科学研究所的柴继杰博士，其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的结构与功能，主要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大分子在结构和功能上的联系。

        博士生邢维满为本论文的第一作者，论文的其他作者还有邹艳、刘佳凝、陈涉、罗熙、周俭民博士，康奈尔大学的刘群博士、黄清秋、郝权博士，生物物理所的毕汝昌研究员、遗传所的朱立煌研究员、清华大学的吴嘉炜博士。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，在北京生命科学研究所完成。

        正如动物和人类的抗病能力一样，植物在长期的演化过程中，也形成了许多抵抗病原生物侵袭的能力和特性，其中包括植物自身的抗病性。早在100多年前，人们就观察到对植物接种致病菌及一些病菌产物可以使植物产生对相关病害的抗病作用。自20世纪50年代以来，人们陆续发现真菌、细菌、病毒可诱导烟草、蚕豆、豇豆等多种植物产生抵抗病菌的能力，现代科学研究也说明植物自身具有抗病系统。

        2002年同样发表于《Nature》杂志上的文章就报道了植物病原体防御机制的分子基础，麻省总医院的研究人员发现植物有着高效而复杂的免疫系统。作用类似人体肌肤的厚厚的表皮细胞壁就是它们的第一道防线。如果病原体能够穿越这道天然屏障，如通过伤口侵入细胞，病原体通常也会被植物细胞表面或内部的受体识别出来。富含亮氨酸重复单位（Leucine-rich  repeat  ，LRR)的受体激酶就是植物中最具代表性的病原体识别受体之一。

        而在这篇新发表的文章中，研究人员利用蛋白质晶体学、生物化学和遗传学的方法，研究了番茄中的抗性蛋白-蛋白激酶Pto与丁香假单胞杆菌中的效应蛋白AvrPto的复合物，从分子水平上揭示了细菌效应蛋白AvrPto激活植物免疫系统的结构基础。这对深入探讨植物如何识别病原菌的效应蛋白启动防御反应、限制病原菌繁殖的复杂抗病机制有重要的意义。

        在这个过程中，研究人员运用克隆、表达和纯化技术制备了AvrPto-Pto复合物，并首次生长出合适的晶体，然后用MAD方法测定了其晶体结构。该复合物的晶体结构揭示了AvrPto  Pto  相互作用通过两个界面调节。遗传学与生物化学实验表明AvrPto通过解除Pto  对防御的抑制作用而引起抗病反应。生化实验研究结果显示AvrPto的活性loop  的磷酸化对Pto识别AvrPto  具有非常重要的调节作用。结构比对表明AvrPto  作为Pto  的假底物与Pto  结合，AvrPto可能是Pto  激酶的抑制剂。生化实验进一步证明：在体外，AvrPto  的确可以抑制Pto  的激酶活性，提示AvrPto  在易感的植物内通过抑制蛋白激酶的活性发挥其毒性功能，而Pto  可能进化来模拟AvrPto  的毒性目标从而阻断其毒性功能。

                        （生物通：万纹）

附：

                        柴继杰  博士，研究员

                        E-mail：chaijijie@nibs.ac.cn

                        教育经历

                        1987年  大连轻工业学院化学工程系学士

                        1997年  中国协和医科大学药物分析学博士

                        工作经历

                        2004  中国北京生命科学研究所工作

                        1999  美国普林斯顿大学分子生物学系做博士后

                        1997-1999  中国科学院生物物理研究所做博士后

研究概述：

        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的结构与功能。主要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大分子在结构和功能上的联系。我们并不局限于已建立的研究框架，拟与北京生命科学研究所的其他研究小组合作，在今后的工作中开展一些联合研究项目。

        一个正进行的研究方向将关注专职吞噬细胞（professional  phagocytes）对调亡细胞的识别途径。近十年来大量的工作已对调亡调控的机制做了详尽的研究。相对的，在细胞调亡后如何去除调亡的细胞残体的问题并没得到关注。（此问题并不是不重要）如果在此环节出现问题将造成炎症反应的异常持续和自身免疫的出现。在吞噬细胞消除调亡的细胞体的过程中，第一步反应是调亡的细胞体和处于调亡过程中的细胞表面出现如磷脂酰丝氨酸（PS）等可被各种吞噬细胞上的受体识别的发出“eat-me”信号的信号分子。近年来的研究发现这一识别过程并不仅仅是此类信号分子与吞噬细胞受体的简单结合。实际上，一类可被其他吞噬细胞的受体识别的桥联分子（bridging  molecule）如Annexin  I（Anx  I）也参与了识别过程。除此，我们还将对“don’t-eat-me”信号的识别机制及溶血磷脂酰胆碱（LPC）等“find-me”信号的产生和调控机制进行研究。前者存于正常细胞，保证这些非调亡的细胞不被错误吞噬；后者为调亡细胞所产生。

        是本实验室的另一个研究目标是吞噬细胞识别和吞噬调亡细胞的信号调控的分子机制。前人在线虫（C.  elegans）的遗传学筛选工作中发现七个基因产物分别隶属于两条功能上冗余的信号转导系统参与了清除调亡细胞体过程。其中一条信号系统为CED-2/ced-5/CED-12/CED10，这条信号系统保守的存于哺乳类中，其同源信号系统为CrkII/Dock180/ELMO/RAC，我门将从蛋白三维结构的尺度研究这条信号系统的活化和调控机制。 (责任编辑：泉水)

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