植物激素是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育及應(yīng)對外界脅迫的重要活性有機(jī)物。解析植物激素與受體識別及結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)對于了解相關(guān)激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制至關(guān)重要。作為植物激素中的一員，水楊酸(salicylic acid, SA)在植物抗病及獲得性免疫過程中起有關(guān)鍵的作用。

　　早在1997年，美國杜克大學(xué)董欣年實(shí)驗(yàn)室利用遺傳學(xué)方法首次發(fā)現(xiàn)和克隆了植物抗病反應(yīng)中的關(guān)鍵基因NPR1(NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES 1)。2012年，作為NPR家族的另外兩個(gè)家族成員NPR3和NPR4被確認(rèn)為是SA受體，但NPR1是否也是SA受體一直存在有爭議。此外，NPR蛋白是如何感應(yīng)并特異結(jié)合SA的分子機(jī)制也不清楚。

　　2020年，美國華盛頓大學(xué)鄭寧團(tuán)隊(duì)和杜克大學(xué)董欣年團(tuán)隊(duì)合作在Nature在線發(fā)表了題為Structural basis of salicylic acid perception by Arabidopsis NPR proteins的研究論文，首次闡述了水楊酸與其受體NPR蛋白結(jié)合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步了解NPR受體蛋白在SA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用機(jī)制以及高抗病性植物培育提供了新的思路。

　　自2007年鄭寧課題組首次解析了第一個(gè)植物激素(Auxin)及受體復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，各類植物激素及其受體的作用機(jī)理成為植物學(xué)領(lǐng)域中的熱門話題。而目前作為僅有的兩類結(jié)構(gòu)仍舊未知的植物激素（SA和乙烯）受體之一，NPR蛋白與SA的復(fù)合體結(jié)構(gòu)成為了一個(gè)植物結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的硬骨頭。

　　在該研究中，研究人員巧妙地利用了胰蛋白酶酶解和氫氘交換質(zhì)譜（HDX-MS)的方法找到了擬南芥NPR4中直接結(jié)合SA的結(jié)構(gòu)域(SA binding core, SBC），并通過變復(fù)性的方法，成功獲得了分辨率為2.3?的NPR4-SBC與SA復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。

　　擬南芥NPR4水楊酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NPR4-SBC）與水楊酸（SA）復(fù)合體結(jié)構(gòu)

　　從結(jié)構(gòu)中可以看到，SA被嚴(yán)密地包裹在NPR4-SBC的疏水核心中，其羧基基團(tuán)通過與NPR4中的精氨酸互作而被中和。有趣的是，在結(jié)構(gòu)中并沒有發(fā)現(xiàn)SA進(jìn)出受體的通道。結(jié)合HDX-MS的分析結(jié)果，研究者提出NPR蛋白的SBC結(jié)構(gòu)域處于一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的構(gòu)象變化狀態(tài)，而SA能夠誘導(dǎo)該結(jié)構(gòu)域形成一個(gè)較為穩(wěn)定的結(jié)合狀態(tài)，從而直接調(diào)節(jié)NPR與其他蛋白的互作。

　　隨后，研究人員通過對擬南芥的NPR1和NPR4進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)NPR1的SBC結(jié)構(gòu)域也能夠以類似方式結(jié)合SA，確認(rèn)了NPR1也是SA的受體。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，純化出的NPR1蛋白中，只有很少比例的蛋白具有結(jié)合SA的活性。這個(gè)發(fā)現(xiàn)解釋了為什么之前對NPR1是否為SA受體的研究中，不同的檢測方法會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，也解釋了為什么長期以來很難獲得NPR蛋白與SA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。

　　此外，該研究還發(fā)現(xiàn)在NPR蛋白中，除了通過SBC結(jié)構(gòu)域與SA直接結(jié)合外，其SA結(jié)合活性會(huì)受到其它結(jié)構(gòu)域的調(diào)節(jié)。通過基因定點(diǎn)突變，研究人員成功獲得了一個(gè)SA結(jié)合不敏感及另一個(gè)SA結(jié)合超敏感突變植株。值得注意的是，獲得的超敏感突變株同時(shí)具有強(qiáng)化的基礎(chǔ)免疫抗性和效應(yīng)蛋白激發(fā)的免疫反應(yīng)（ETI），避免了在強(qiáng)化植物基礎(chǔ)免疫時(shí)常常會(huì)削弱ETI免疫的弊端。

　　綜上所述，該研究揭示了水楊酸與NPR受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)理；同時(shí)，解決了NPR1作為SA受體的爭議。研究結(jié)果為進(jìn)一步了解SA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，并為植物抗病基因工程設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。