Structure-guided engineering of a receptor-agonist pair for inducible activation of the ABA adaptive response to drought
- 作者
- Jorge Lozano-Juste, Lourdes Infantes, Irene Garcia-Maquilon, Rafael Ruiz-Partida, Ebe Merilo, Juan Luis Benavente, Adrian Velazquez-Campoy, Alberto Coego, Mar Bono, Javier Forment, Begoña Pampin, Paolo Destito, Adrian Monteiro, Ramon Rodriguez, Jacobo Cruces, Pedro L. Rodriguez, Armando Albert
- 杂志
- Science Advances（2023）
- DOI
- 10.1126/sciadv.ade9948
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何在不引起组成性生长抑制的前提下，通过外源小分子可诱导地激活ABA信号通路，从而提高植物抗旱性
研究策略
基于受体-配体-磷酸酶三元复合物的晶体结构，结合虚拟筛选、蛋白质工程和化学合成，迭代优化配体（SB→iSB09）与受体（CsPYL1→CsPYL1^5m），构建正交的受体-激动剂对，实现条件性激活ABA信号
核心内容
本研究以ABA受体-配体-磷酸酶三元复合物晶体结构为指导，通过虚拟筛选、蛋白质工程与化学合成迭代优化，构建了正交的受体-激动剂对，以实现外源小分子可诱导的ABA信号激活。研究人员将柑橘CsPYL1改造为五点突变体CsPYL1⁵ᵐ（V112L/F137I/T135L/T153I/V168A），使初始激动剂SB的IC50从约10.5 μM降至876 nM，降低12倍，而天然ABA的IC50反而升高4倍，初步获得配体选择性。随后通过翻转SB磺酰胺连接基中的SO₂与CH₂基团，开发出活性显著提升的iSB07和iSB09，二者与CsPYL1⁵ᵐ组合时对HAB1的IC50分别达346 nM和316 nM，其中iSB09与受体形成的三元复合物亲和力与天然ABA-CsPYL1-HAB1相当。在拟南芥中，5 μM iSB09喷雾即可使CsPYL1⁵ᵐ株系气孔导度显著降低并持续至少48小时，而野生型需20 μM；停水10天后，iSB09处理植株仅失水约40%，对照失水约70%，抗旱性显著增强且无生长抑制代价。该工作证明了结构指导的配体-受体协同工程可实现对ABA信号通路的条件性精准激活，为优化作物水分利用效率提供了有潜力的化学生物学工具。
创新点
['通过结构指导设计出高灵敏度合成受体CsPYL1^5m，对SB的IC50降低12倍', '通过翻转SB磺酰胺连接基中的SO2和CH2基团，开发出活性显著提高的iSB07和iSB09激动剂', 'iSB09与CsPYL1^5m组合的亲和力（Kd）与天然ABA-CsPYL1-HAB1复合物相当', '在拟南芥中实现了化学-遗传正交的ABA信号诱导，显著增强抗旱性且无生长代价']
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Citrus sinensis | ABA信号通路 | CsPYL1 | CsPYL1 | 调控 | 野生型ABA受体，用作结构改造模板 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | CsPYL1^5m (V112L, F137I, T135L, T153I, V168A) | CsPYL1^5m | 调控 | 工程化合成受体，对iSB09高敏感 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | AtPYL5 | AtPYL5 | 调控 | SB靶标受体之一，单体型ABA受体 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | AtPYL10 | AtPYL10 | 调控 | 对SB最敏感的ABA受体，用于指导CsPYL1突变设计 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | PYR1, PYL1, PYL2 | PYR1, PYL1, PYL2 | 调控 | 二聚体ABA受体，对iSB09有响应 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | HAB1 | HAB1 | 调控 | clade A PP2C磷酸酶，ABA共受体，活性被受体-配体复合物抑制 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | ABI1 | ABI1 | 调控 | PP2C磷酸酶，iSB09介导的抑制比HAB1敏感5倍 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | PP2CA | PP2CA | 调控 | PP2C磷酸酶，参与ABA信号负调控 |
| Arabidopsis thaliana | ABA信号通路 | MAPKKK18 promoter::LUC | 荧光素酶 | 调控 | ABA响应转录报告系统，用于检测iSB09活性 |
关键发现
- 虚拟筛选鉴定出磺胺类激动剂SB，100μM SB可使AtPYL5/AtPYL10抑制HAB1活性>75%，但对PYL1家族仅约50%
- SB对AtPYL10的IC50仅比ABA高4倍。通过结构引导将CsPYL1改造为CsPYL1^5m（V112L/F137I/T135L/T153I/V168A），使SB的IC50降低12倍（从~10.5μM降至~876nM），但ABA的IC50升高4倍。将SB的SO2和CH2互换得到iSB07和iSB09，与CsPYL1^5m组合时HAB1 IC50分别为346nM和316nM
- 1μM iSB09对PYR1/PYL1/PYL2/PYL5介导的HAB1抑制达到60-70%。ITC显示iSB09-CsPYL1^5m-HAB1的Kd与ABA-CsPYL1-HAB1相当
- NRE证实iSB09与ABA具有相似的表观Kd。5μM iSB09喷雾可显著降低CsPYL1^5m株系的气孔导度（持续至少48小时），而WT需20μM才有效。干旱实验中，停水10天后mock处理植株失水约70%，iSB09处理仅失水约40%，存活率显著提高。100μM iSB09对MAPKKK18-LUC的诱导约为25μM ABA的2倍。0.5μM iSB09即可抑制CsPYL1^5m株系的幼苗建成，而WT需5μM。
研究结论
通过结构指导的配体和受体协同工程，成功开发了iSB09-CsPYL1^5m正交受体-激动剂对，能够条件性激活ABA信号、关闭气孔并显著增强拟南芥抗旱性，且未观察到组成性信号激活导致的生长抑制，为作物水分利用效率优化提供了有潜力的生物技术工具。