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抗病小体：植物免疫机器

花匠小妙招
2024-09-25 18:14

在与各种病原微生物长期互作的过程中, 植物演化出时空上紧密关联的多层防御系统来对抗各种病虫害的威胁. 其中关键的一层是由细胞内NLR免疫受体 (Nucleotide binding domain and leucine-rich repeat-containing receptors, NLRs) 通过识别病原菌分泌到植物细胞内的效应蛋白(Effectors)进而激活的特异性免疫反应(Effector-triggered immunity, ETI). 这一层免疫具有特异性强、反应快、反应强度高等特点, 并能够引发植物的系统获得性免疫反应, 因此这种形式的免疫受到了植物抗病及育种领域的广泛关注. 近几年, 在西湖大学柴继杰实验室及国际国内同行的共同努力下, 对植物不同类型NLRs的静息状态的维持、特异性识别效应蛋白及NLRs由静息态转变为激活状态的分子机制都有了深入的认识. 据此, 柴继杰课题组创新性的提出了NLRs激活状态的结构—抗病小体(Resistosomes)这一概念, 并通过生化实验和植物体内实验揭示了植物不同种类抗病小体具有阳离子通道或者NAD+水解酶活性, 课题组也提出了钙离子作为共同的下游信号, 在不同类型的抗病小体介导的ETI免疫反应中行使作用. 抗病小体的发现为深入研究NLRs如何介导植物抗病及超敏反应奠定了坚实基础, 这一概念的提出也迅速得到了植物抗病领域同行的高度认同. 此外, 抗病小体的发现也为培育广谱抗病性作物提供了理论依据.

与各种病原微生物长期的相互作用使植物逐步演化出了多层次的免疫防御系统, 用以抵御各种病害和虫害. 根据参与植物免疫反应的受体类型不同, 可以把植物的防御分为两层: 第一层防御由定位于细胞膜表面的植物受体激酶(Receptor-likekinases, RLKs)或受体蛋白(Receptor-like proteins, RLPs)介导, 它们通过识别不同病原菌的保守模式分子来启动模式分子激活的免疫反应(PAMP-triggeredimmunity, PTI). PTI虽然反应强度低但具有广谱性, 使植物能够抵御绝大多数病原生物的侵袭. 在植物抵御病原菌的同时, 病原微生物也可以通过分泌效应蛋白等方式抑制植物的PTI, 导致植物呈现感病表型. 对此, 植物进化出第二层防御反应, 由位于细胞内的一类包含核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复区的受体类蛋白NLRs介导. 这些NLRs抗病蛋白能够识别对应病原微生物分泌到植物细胞内的效应蛋白, 从而激活并启动一系列抗病反应, 称为效应子激发的免疫反应-ETI. ETI的特点是特异性强和反应强度大, 常伴随着植物感染区域细胞的超敏反应等现象. 许多植物抗病育种中筛选的抗病基因大多归属于这一类蛋白. 一旦病原微生物被植物免疫系统识别并诱发局部抗性反应后, 相应的抗性信号能够从受侵染部位传递到其他未受侵染的部位或邻近植物, 使整个植株甚至邻近植物都具备对相关病原微生物的免疫能力. 这种现象被称为系统获得性抗性(Systemic acquiredresistance, SAR). 当前研究发现不同层级的植物免疫系统之间存在广泛的协同作用, 使植物能够抵御绝大多数病原微生物的侵害. 柴继杰课题组长期致力于植物免疫受体的作用机制研究. 早期, 柴继杰课题组通过解析一系列细胞膜表面的受体激酶/受体蛋白–模式分子配体、受体激酶/受体蛋白–模式分子配体–共受体的结构, 揭示了模式识别受体的最小二聚化活化模式, 深化了对模式分子激活PTI免疫反应机制的理解.

NLRs蛋白是一类广泛存在于不同生命界(细菌、植物和动物)的蛋白类型, 目前发现它们广泛参与不同生命体的先天免疫反应. 在动物中, NLRs数量较少(小鼠30个, 人22个), 主要识别各种病原菌来源的模式分子或宿主的危险相关模式分子, 从而激活宿主的先天免疫反应. 不同于动物NLRs主要识别模式分子, 植物NLRs主要通过直接或间接识别各种病原微生物分泌到宿主细胞内的效应蛋白来激发特定的免疫反应. 由于植物易感病原菌种类的多样性, 其含有的效应蛋白数量较多, 因此高等植物NLRs的数量(拟南芥151个, 水稻438个)远超动物. 这可能意味着植物NLRs的作用机制相比动物更为复杂. NLRs属于多结构域的ATP酶蛋白家族成员, 通常由N端的效应结构域、中间的依赖核苷酸的寡聚化结构域以及C末端的LRR结构域组成. 这种结构框架构建了一个高效的感知-开关-执行模块的紧凑型分子, 确保免疫反应能够准确、高效地对危险信号做出快速响应. 动物的N端效应结构域一般是CARD或PYD等寡聚化结构域, 通过这些结构域与下游适应蛋白ASC或含CARD结构域的caspase同型互作, 进而激活宿主的免疫反应. 植物NLRs抗病蛋白一般根据N端结构域的不同分为两类: CNL(CC-NB-LRR)类抗病蛋白和TNL(TIR-NB-LRR)类抗病蛋白. CNL类抗病蛋白进一步分为常规CC亚型、CCG10亚型和CCRPW8亚型. 根据NLRs之间的功能关系, 可分为单一NLR、配对NLR及网络NLR等类型. 而根据NLR识别效应蛋白的方式, 可分为直接识别模式、间接识别模式和诱饵识别模式等. 部分植物NLRs蛋白也包含其它结构域蛋白, 例如, 茄科植物中的一些CNL效应结构域前面含有SD结构域. 而一些配对作用的NLR中包括ID结构域, 其可能参与效应蛋白的识别或执行诱饵功能等. 长期以来人们通过遗传学、生物化学等手段研究植物NLRs功能机制并积累了丰富的数据和应用经验, 在此基础上, 在2019年西湖大学柴继杰课题组与合作者首次揭示了植物第一个CNL类抗病蛋白ZAR1的不同状态结构, 被认为是该领域的重大突破, 柴继杰与周俭民也因此项工作被授予2023年未来科学大奖. 随后几年, 柴继杰课题组及国际国内同行在其它不同类型的NLR激活机制研究方面也取得了一系列进展, 如小麦Sr35和RPP1抗病小体结构的解析及功能研究等.