Peptide domain links phosphate need to uptake Cellular phosphate (Pi) levels are tightly controlled, but it is not clear how eukaryotic cells actually “measure” the concentration of Pi. Wild et al. now show that inositol polyphosphate (InsP) signaling molecules regulate Pi homeostasis in fungi, plants, and humans by interacting with SPX-domain-containing proteins. SPX domains are found in many eukaryotic Pi transporters, Pi-regulated enzymes, and signaling proteins. InsP binding allowed SPX domains to interact with different target proteins. In plants, one such target protein is a transcription factor. During normal growth, high levels of InsP promoted formation of a SPX protein-transcription factor complex. Under Pi starvation, InsP levels dropped, releasing the transcription factor to promote Pi starvation-response gene transcription. Science , this issue p. 986

Donuts Dissociate In Arabidopsis , the UVR8 protein responds to ultraviolet-B (UV-B) light by dissociating into monomers, which are then available to interact with downstream factors that enact the plant's response to light. Christie et al. (p. 1492 , published online 9 February; see the cover and see the Perspective by Gardner and Correa ) have now determined the crystal structure of UVR8. Without ultraviolet-B light, UVR8 dimerizes, with two donut-shaped monomers joined by a network of salt bridges. Close-packing of a pyramid of tryptophan residues permits exciton coupling that is key to UV-B perception. Electron transfer after UV-B perception could dissociate the salt bridges that hold the dimer together and release monomeric UVR8 to initiate light-induced signaling.

Polyhydroxylated steroids are regulators of body shape and size in higher organisms. In metazoans, intracellular receptors recognize these molecules. Plants, however, perceive steroids at membranes, using the membrane-integral receptor kinase BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1). Here we report the structure of the Arabidopsis thaliana BRI1 ligand-binding domain, determined by X-ray diffraction at 2.5 Å resolution. We find a superhelix of 25 twisted leucine-rich repeats (LRRs), an architecture that is strikingly different from the assembly of LRRs in animal Toll-like receptors. A 70-amino-acid island domain between LRRs 21 and 22 folds back into the interior of the superhelix to create a surface pocket for binding the plant hormone brassinolide. Known loss- and gain-of-function mutations map closely to the hormone-binding site. We propose that steroid binding to BRI1 generates a docking platform for a co-receptor that is required for receptor activation. Our findings provide insight into the activation mechanism of this highly expanded family of plant receptors that have essential roles in hormone, developmental and innate immunity signalling. The brassinolides are potent steroid hormones that are central to plant growth and development. They bind to the plasma membrane receptor BRI1, a member of the leucine-rich repeat (LRR) receptor family that also includes the mammalian Toll-like receptors, which are important in innate immunity. Two independent studies now present the crystal structure of BRI1 from Arabidopsis thaliana, both in the free form and in complex with brassinolide. BRI1 is found to adopt a solenoid-like superhelical structure involving 25 leucine-rich repeats. The structure is strikingly different from that of Toll-like receptors and reveals a novel mechanism of steroid recognition. This work suggests synthetic routes to nonsteroidal mimetics of BRI1 that could have a possible use in agriculture.

Brassinosteroids, which control plant growth and development, are sensed by the leucine-rich repeat (LRR) domain of the membrane receptor kinase BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1), but it is unknown how steroid binding at the cell surface activates the cytoplasmic kinase domain of the receptor. A family of somatic embryogenesis receptor kinases (SERKs) has been genetically implicated in mediating early brassinosteroid signaling events. We found a direct and steroid-dependent interaction between the BRI1 and SERK1 LRR domains by analysis of their complex crystal structure at 3.3 angstrom resolution. We show that the SERK1 LRR domain is involved in steroid sensing and, through receptor-co-receptor heteromerization, in the activation of the BRI1 signaling pathway. Our work reveals how known missense mutations in BRI1 and in SERKs modulate brassinosteroid signaling and the targeting mechanism of BRI1 receptor antagonists.

Polyphosphate (polyP) occurs ubiquitously in cells, but its functions are poorly understood and its synthesis has only been characterized in bacteria. Using x-ray crystallography, we identified a eukaryotic polyphosphate polymerase within the membrane-integral vacuolar transporter chaperone (VTC) complex. A 2.6 angstrom crystal structure of the catalytic domain grown in the presence of adenosine triphosphate (ATP) reveals polyP winding through a tunnel-shaped pocket. Nucleotide- and phosphate-bound structures suggest that the enzyme functions by metal-assisted cleavage of the ATP gamma-phosphate, which is then in-line transferred to an acceptor phosphate to form polyP chains. Mutational analysis of the transmembrane domain indicates that VTC may integrate cytoplasmic polymer synthesis with polyP membrane translocation. Identification of the polyP-synthesizing enzyme opens the way to determine the functions of polyP in lower eukaryotes.

Receptor tyrosine kinases control many critical processes in metazoans, but these enzymes appear to be absent in plants. Recently, two Arabidopsis receptor kinases--BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) and BRI1-ASSOCIATED KINASE1 (BAK1), the receptor and coreceptor for brassinosteroids--were shown to autophosphorylate on tyrosines. However, the cellular roles for tyrosine phosphorylation in plants remain poorly understood. Here, we report that the BRI1 KINASE INHIBITOR 1 (BKI1) is tyrosine phosphorylated in response to brassinosteroid perception. Phosphorylation occurs within a reiterated [KR][KR] membrane targeting motif, releasing BKI1 into the cytosol and enabling formation of an active signaling complex. Our work reveals that tyrosine phosphorylation is a conserved mechanism controlling protein localization in all higher organisms.

Plants constantly renew during their life cycle and thus require to shed senescent and damaged organs. Floral abscission is controlled by the leucine-rich repeat receptor kinase (LRR-RK) HAESA and the peptide hormone IDA. It is unknown how expression of IDA in the abscission zone leads to HAESA activation. Here we show that IDA is sensed directly by the HAESA ectodomain. Crystal structures of HAESA in complex with IDA reveal a hormone binding pocket that accommodates an active dodecamer peptide. A central hydroxyproline residue anchors IDA to the receptor. The HAESA co-receptor SERK1, a positive regulator of the floral abscission pathway, allows for high-affinity sensing of the peptide hormone by binding to an Arg-His-Asn motif in IDA. This sequence pattern is conserved among diverse plant peptides, suggesting that plant peptide hormone receptors may share a common ligand binding mode and activation mechanism.

Abstract Phosphorus is an essential nutrient taken up by organisms in the form of inorganic phosphate (Pi). Eukaryotes have evolved sophisticated Pi sensing and signalling cascades, enabling them to maintain cellular Pi concentrations. Pi homeostasis is regulated by inositol pyrophosphate signalling molecules (PP-InsPs), which are sensed by SPX-domain containing proteins. In plants, PP-InsP bound SPX receptors inactivate Myb coiled-coil (MYB-CC) Pi starvation response transcription factors (PHRs) by an unknown mechanism. Here we report that a InsP 8 – SPX complex targets the plant-unique CC domain of PHRs. Crystal structures of the CC domain reveal an unusual four-stranded anti-parallel arrangement. Interface mutations in the CC domain yield monomeric PHR1, which is no longer able to bind DNA with high affinity. Mutation of conserved basic residues located at the surface of the CC domain disrupt interaction with the SPX receptor in vitro and in planta , resulting in constitutive Pi starvation responses. Together, our findings suggest that InsP 8 regulates plant Pi homeostasis by controlling the oligomeric state and hence the promoter binding capability of PHRs via their SPX receptors. (173 words)

Abstract Plant-unique receptor kinases harbor conserved cytoplasmic kinase domains and sequence-diverse ectodomains. Here we report crystal structures of CRINKLY4-type ectodomains from Arabidopsis ACR4 and Physcomitrella patens PpCR4 at 1.95 Å and 2.70 Å resolution, respectively. Monomeric CRINKLY4 ectodomains harbor a N-terminal WD40 domain and a cysteine-rich domain (CRD) connected by a short linker. The WD40 domain forms a seven-bladed β-propeller with the N-terminal strand buried in its center. Each propeller blade is stabilized by a disulfide bond and contributes to the formation of a putative ligand binding groove. The CRD forms a β-sandwich structure stabilized by six disulfide bonds and shares low structural homology with tumor necrosis factor receptor domains. Quantitative binding assays reveal that ACR4 is not a direct receptor for the peptide hormone CLE40. An ACR4 variant lacking the entire CRD can rescue the known acr4-2 mutant phenotype, as can expression of PpCR4. Together, an evolutionary conserved signaling function for CRINKLY4 receptor kinases is encoded in its WD40 domain.