CLE小肽家族是植物多肽激素中最大的一個家族，包含32個成員，目前已經報導的CLE小肽的功能多與幹細胞相關，其中非常重要的一個小肽就是導管分子分化抑制因子TDIF/CLE44/CLE41，其受體為富亮氨酸重複類受體激酶PXY，TDIF-PXY信號通路控制著植物維管束中形成層細胞的複製。雖然人們對於TDIF-PXY信號通路的生物學功能已經有了一定的了解，但是有一些關鍵的科學問題一直沒有得到解決，即TDIF小肽和受體PXY之間是如何識別的？PXY受體又是如何被TDIF小肽激活的？研究TDIF-PXY的識別以及激活的分子機理對於我們進一步理解整個CLE家族的小肽與它們的受體之間的識別和激活都具有指導意義。
北京大學生命科學學院瞿禮嘉課題組與清華大學柴繼傑課題組合作，首先解析了TDIF及其受體PXY/TDR複合物晶體結構。與之前報導的線性肽採取的完全伸展的構象不一樣的是，TDIF結合受體時處於一種「Ω」構象 (圖一A)。保守的PxGPNP基序在這個「Ω」構象中起到關鍵作用。他們通過對受體PXY參與識別的胺基酸在整個CLE家族受體中進行序列比對，發現了一些在整個CLE家族受體中都非常保守的胺基酸和基序。然後他們通過體外生化實驗 (圖一B)、轉基因植物遺傳互補 (圖一C) 以及結構模擬等實驗，證明這些保守的胺基酸和基序確實是對於識別配體及激活信號通路至關重要。據此，他們提出了一種CLE家族受體共有的、保守的識別模式，這一識別模式對於尋找新的CLE家族小肽的受體提供了結構生物學基礎和新的研究思路。
圖一 A: PXY LRR與TDIF結構圖；B: PXY LRR與TDIF關鍵的點突變影響兩者的相互作用；C: PXY genomic關鍵的點突變互補pxy-5突變體效果
解決了識別機理之後，兩個課題組又進一步探究「PXY受體是如何被TDIF小肽激活的」這一科學問題。他們合作鑑定出了TDIF-PXY信號通路的新成員SERK蛋白。SERK蛋白也是富亮氨酸重複類受體激酶，SERK家族在擬南芥中有5個成員。他們通過一系列體外以及體內相互作用實驗證明，TDIF小肽可以誘導受體PXY與SERK家族蛋白相互作用（圖二 A），這說明SERK蛋白可能充當的是PXY受體的共受體角色。進一步的遺傳學實驗證明，擬南芥serk1-1 serk2-1 bak1-5三突變體的維管束髮育表型與pxy-5突變體的表型很類似，而且serk1-1 serk2-1 bak1-5對於外源施加的TDIF小肽敏感性降低（圖二 B），這說明SERK家族蛋白對於PXY-TDIF信號途徑介導的維管束髮育是必需的。隨後，他們又解析了PXY-TDIF-SERK2的晶體結構（圖二 C），結構表明，TDIF小肽充當「分子膠水」（molecular glue）的功能，介導受體PXY與共受體SERKs之間的相互作用，從而激活信號途徑調控擬南芥的維管束髮育。至此，擬南芥中調控維管束髮育的重要信號通路——PXY-TDIF-SERKs信號通路——的識別和激活機理就基本上得到了闡明。
圖二 A: 在植物體內，SERK家族成員在有TDIF時與PXY相互作用；B: serk1-1 serk2-1 bak1-5對於外源施加TDIF敏感性降低；C: PXY LRR-TDIF-SERK2¬¬LRR三元複合體結構圖
前一項合作研究結果於2016年5月以「Crystal structure of PXY-TDIF complex reveals a conserved recognition mechanism among CLE peptide-receptor pairs」為題在線發表在國際知名學術期刊《細胞研究》（Cell Research）上，而後一項合作研究結果於2016年7月以「SERK family receptor-like kinases function as a co-receptor with PXY for plant vascular development」為題，在線發表在Cell旗下期刊《分子植物》（Molecular Plant）上。清華大學生命科學學院張賀橋博士和北京大學生命科學學院博士生林曉雅是這兩篇文章的共同第一作者，北京大學瞿禮嘉教授和清華大學柴繼傑教授是這兩篇文章的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室和北大-清華生命科學聯合中心的資助。
編輯：安寧