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油菜素甾醇（Brassinosteroids, BRs）是一種植物類固醇激素，其在植物生長發(fā)育以及脅迫響應等多個方面發(fā)揮著重要作用。早在20世紀70年代，植物生物學家就已經開始了對BR的研究，1996年的多項研究證明了BR起內源生長調節(jié)劑的作用，并鑒定了植物質膜定位的BR受體激酶。之后的研究則對BR介導的從細胞表面受體到細胞核轉錄因子的信號傳導進行了深入研究。
The Plant Cell在線發(fā)表了美國愛荷華州立大學的尹延海教授和比利時根特大學Eugenia Russinova教授題為Brassinosteroids: Multi-Dimensional Regulators of Plant Growth, Development, and Stress Responses的綜述文章。該文對BR感知和BR信號傳導的分子機制、BR介導的植物生長發(fā)育、脅迫響應等方面進行了概述，并討論了BR在農業(yè)生產中的潛在應用。
該文首先對植物對BR的感知進行了闡述。BR從合成位點內質網（endoplasmic reticulum, ER）轉運到質外體，并直接與質膜定位的受體BR INSENSITIVE1（BRI1）或其同源蛋白BRL1（BRI1-LIKE1）、BRL3結合（均屬于富含亮氨酸重復序列 (leucine-rich repeat, LRR) 型植物受體蛋白激酶家組蛋白）。BRI1通過其胞外域（包括一個N端信號肽，25個LRR以及位于LRR21和LRR22之間的70個氨基酸島狀結構域）感知BRs。通過對BRI1胞外域以及油菜素內酯（brassinolide, BL）復合物的晶體結構分析發(fā)現(xiàn)，LRR 23-25為BL的A-D環(huán)的結合提供了疏水表面，而LRR21、LRR22和島狀結構域形成了BL烷基鏈結合的“口袋”結構。與BL結合之后，BRI1胞外域中的島狀結構域變得有序并且位置相對固定，這為結合BRI1激活所需的共受體蛋白如SERK3/BAK1（SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE3/BRI1-ASSOCIATED KINASE1）創(chuàng)建了機會。SERK3/BAK1蛋白可以與BRI1相互作用，是BR信號的遺傳成分和BRI1的磷酸化靶標。SERK1的胞外域可以與BRI1相連的BL結合，這表明BL發(fā)揮“分子膠”的功能將BRI1及其共受體結合在一起。該綜述還指出，BRI1抑制蛋白BKI1（BRI1 KINASE INHIBITOR1）可以干預BRI1-SERK3/BAK1的相互作用，BR誘導的BRI1和SERK3/BAK1胞外域的異二聚反應會改變其胞質激酶結構域，以消除BKI1的抑制作用并觸發(fā)這兩個激酶域的反磷酸化。而BIR3（BAK1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASES3）則被報道為共受體SERK3 / BAK1的負調節(jié)因子，通過與SERKs的胞外域相互作用來抑制BRI1-SERK異二聚體的形成。
該綜述還對BR信號的傳導途徑進行了解析。質膜上的BRI1和SERK3/BAK1感知到BR后，一個完善的級聯(lián)將BR信號傳導到BRI1-EMS-SUPPRESSOR1（BES1）和BRASSINAZOLE-RESISTANT1（BZR1）家族轉錄因子，從而調控BR相關的基因表達。首先，該綜述從BR信號的抑制與激活進行了闡述，BIN2（BRASSINOSTEORID INSENSITIVE2）以及BSS1（BRZ-SENSTITIVE-SHORT HYPOCOTYL1）可以通過與BES1和BZR1的相互作用抑制BR信號。而當存在BR時，BRI1和BAK1受體復合物會激活下游胞質BSKs（BR SIGNALING KINASES）和CDG1（CONSTITUTIVE DIFFERENTIAL GROWTH1），從而激活磷酸酶BRI1-SUPPRESSOR1（BSU1）。該綜述還指出，盡管BIN2是BR信號的負調節(jié)因子，但它也參與了一個反饋環(huán)，通過正調節(jié)因子BSK3的磷酸化促進BR信號的傳遞。TTL（TETRATRICOPEPTIDE THIOREDOXIN-LIKE）蛋白可以在質膜處將BR信號傳導成分聚集在一起。研究發(fā)現(xiàn)，TTL3定位于細胞質，但是BR處理導致其余質膜結合，并將BR信號中的多個參與者包括BRI1, BSU1和BZR1）形成一個復合體，并且會促進BSU1調控的BIN2中的Tyr200去磷酸化，導致BIN2蛋白失活。其次，BR對BIN2活性的抑制以及蛋白磷酸酶2A（PP2A）對BES1和BZR1的去磷酸化作用導致BES1和BZR1在細胞核中變得活躍，從而控制BR反應基因的表達。BES1，BZR1和同源物BEH1-BEH4冗余地充當BR反應基因表達的主調控因子，并且多項研究揭示了BRs調控的BES1/BZR1目標轉錄因子（BES1/BZR1-targeted TFs, BTFs），這些BTFs與BR信號通路在多個層面上相互作用。BES1和BZR1與其他TF，組蛋白修飾酶和轉錄調節(jié)劑共同激活BR誘導的基因表達。之后，該綜述指出BR整合了多種激素和環(huán)境信號，最終導致BR調控基因的激活或抑制，并且信號級聯(lián)反應的某些組成部分（例如BZR1/BES1家族成員）可以與其他非BR依賴性途徑共享。最后，該綜述強調了組蛋白修飾酶和染色質重塑因子在BR調控基因去抑制中的重要性，該研究還指出除了磷酸化途徑，BES1和BZR1還可以通過活性氧氧化，BES1轉錄的可變剪接，泛素化和BES1 / BZR1蛋白降解等其他機制進行調節(jié)。
Overview of the BR signaling pathway
BR在植物發(fā)育和脅迫響應中也發(fā)揮重要作用。BR會影響種子發(fā)育、開花時間、花粉發(fā)育、器官的向性反應以及側根發(fā)育等多個過程。該綜述指出，BR通過促進細胞周期進程來控制根分生組織的大小，同時也在細胞擴增中發(fā)揮著關鍵作用，這表明BR信號可同時影響細胞分裂和擴增，而細胞和組織環(huán)境對于確定哪種作用將占主導地位至關重要。此外，盡管BRs的應用促進了對熱，冷和干旱脅迫等的耐受性，但BR途徑被干擾后也通常會增加植物對干旱脅迫的耐受性。BES1的調節(jié)代表了BR與干旱脅迫響應之間串擾的關鍵，在干旱脅迫期間，BES1通過靶向蛋白質降解和轉錄失活而受到抑制，而BES1在促進生長的條件下抑制干旱脅迫響應。總之，BRs可以促進或抑制多種應激反應，其結果取決于受影響的特定成分和組織。
Summary of BR regulated developmental processes in Arabidopsis
最后，BR生物合成和信號傳導途徑在物種之間是保守的，BR在植物生長、發(fā)育和逆境響應中起著關鍵作用，使其成為提高農藝性狀的主要目標。該綜述指出，BR通過調節(jié)背面硬壁細胞在葉片直立性方面發(fā)揮著獨特的作用；并可通過改變BR生物合成基因的表達來調節(jié)葉角；BR還調節(jié)花序結構。該綜述提出，BR的應用有助于緩解植物的逆境，而對BR調節(jié)作物逆境響應的分子機制以及進一步了解BR信號在不同作物，環(huán)境和發(fā)育環(huán)境下的運作機制是未來的重要研究方向。