β-折叠稳定岛域介导配体诱导的LRR-RP激活植物免疫信号传导的分子机制

《Nature Communications》：β-sheet stabilization of the island domain underlies ligand-induced LRR-RP activation of plant immune signaling

本研究通过AI辅助结构建模揭示了植物LRR-RP型模式识别受体的配体识别机制。研究人员发现RLP23/42通过ID区N端形成反平行β-折叠与短肽配体结合，而RLP32则通过扩展界面识别折叠蛋白IF1。更重要的是，研究证实ID区C端在BAK1共受体招募中具有保守功能，为作物抗病性工程提供了新思路。

　　

在植物与病原体长期共进化的过程中，植物演化出了精密的免疫识别系统。其中，细胞表面的模式识别受体（PRRs）作为第一道防线，能够识别病原体相关分子模式（PAMPs）并激活免疫反应。富含亮氨酸重复序列的受体蛋白（LRR-RPs）是PRRs的重要亚类，但其配体识别机制相较于具有激酶结构域的LRR-RKs而言研究较为滞后。尽管RXEG1是目前唯一解析出结构的LRR-RP，但其独特的双环状结构域特征是否适用于其他LRR-RPs仍存疑问。这种认知空白严重制约了通过受体工程改良作物抗病性的进展。

为突破这一瓶颈，苏黎世大学Cyril Zipfel团队在《Nature Communications》发表了创新性研究。他们巧妙运用AlphaFold 3（AF3）人工智能结构预测技术，系统揭示了拟南芥LRR-RPs（RLP23、RLP42和RLP32）的配体识别和共受体招募机制。研究发现，虽然这些受体识别不同特性的配体——从短线性肽（nlp20/pg13）到折叠蛋白（IF1），但它们的岛域（ID）在配体结合和信号激活中均发挥核心作用。

本研究主要采用AlphaFold 3进行蛋白质复合物结构预测，通过点突变验证功能关键位点，利用本氏烟异源表达系统进行免疫表型分析（包括ROS爆发、钙离子流动和乙烯积累测定），并运用免疫共沉淀技术验证受体与共受体BAK1的互作。研究样本涉及拟南芥LRR-RPs及其突变体的异源表达。

RLP23和RLP42的ID区N端采用反平行β-折叠构象与配体相互作用

AF3预测显示，RLP23和RLP42的ID区N端能够形成反平行β-折叠，并通过β-链相互作用分别结合nlp20和pg13。关键残基突变实验证实，破坏配体与ID区N端及C1 LRR结构域的相互作用会显著影响受体功能。例如，RLP23的G677V/G679A双突变完全消除了ROS和Ca²⁺爆发，而RLP42的R396A和Y676A突变则完全阻断了所有免疫信号输出。

RLP32通过扩展界面识别IF1的五链β-桶状结构

与RLP23/42不同，RLP32与翻译起始因子IF1的相互作用界面更为复杂。AF3预测表明，IF1以其天然构象（五链β-桶状）与RLP32的LRR结构域和ID区N端形成广泛界面。功能实验显示，破坏该界面的突变（如F653E和L340R）显著削弱了RLP32介导的免疫反应，印证了预测结果的可靠性。

ID区C端的保守残基对BAK1招募和LRR-RP功能至关重要

研究发现RLP23、RLP42和RLP32的ID区C端均形成反平行β-折叠，构成BAK1结合界面。保守残基突变实验表明，Y-x₈-KG motif中的酪氨酸（Y）、连接环中的赖氨酸（K）以及倒数第二个LRR motif中的谷氨酸（E）对BAK1招募具有关键作用。这些残基的突变不仅削弱了免疫反应，也降低了与BAK1的复合物形成。

本研究通过整合计算预测与实验验证，揭示了LRR-RPs多样化的配体识别机制及其共受体招募的保守原理。特别值得注意的是，ID区在配体结合中表现出结构可塑性——RLP23/42通过β-链延伸机制结合短肽，而RLP32则通过环状结构嵌入IF1的疏水口袋。这种多样性反映了LRR-RPs在进化过程中形成的适应性策略。

更重要的是，研究发现了ID区C端在BAK1招募中的保守机制。基于LRR-RPs基因组学分析，Y-x₈-KG和K-x₅-Y motif在植物界LRR-RPs中高度保守，而Xb亚族LRR-RKs中却罕见这些 motif，这为理解两类受体的进化分化和功能特异性提供了分子线索。

该研究不仅建立了AI辅助结构预测应用于LRR-RPs的方法学框架，更重要的是揭示了受体工程的关键靶点。通过对配体识别界面和共受体招募机制的解析，为设计具有扩展识别谱或增强信号能力的合成受体奠定了理论基础，对实现作物广谱抗病性育种具有重要指导意义。