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Cell | "挟持背叛"— 细菌“操纵”植物免疫的新机制！

花匠小妙招
2025-07-09 19:14

进化过程中，细菌病原体发展出一系列策略在宿主体内的“艰苦环境”中生存。很多革兰氏阴性致病菌利用T3SS（type III secretion system）——一个针状结构向宿主细胞递送毒力因子【1】。细菌的效应因子（effector）进化出许多独特的生化特性，破坏宿主的免疫反应。细菌的效应分子对病原体的存活非常重要，但其与宿主之间的相互作用依然存在很多未知。

病原菌入侵时，宿主的天然免疫系统是第一道防线，通过模式识别受体（pattern recognition receptors, PRRs）识别病原体相关分子模式（pathogen associated molecular patterns, PAMPs），引起PAMP触发的免疫反应（PAMP-triggered immunity, PTI）。此外，宿主细胞可通过NB-LRR蛋白（nucleotide binding domain, leucine rich repeat proteins）来感知效应因子，引起效应因子触发的免疫反应（effector-triggered immunity, ETI）【2】。这些免疫受体需要分子伴侣HSP90来辅助激活，HSP90可使NB-LRRs保持在非活性但是具有信号能力的形式【3】。HSP90是植物和动物免疫的必不可少的组分，但细菌直接靶向HSP90的致病机制尚未被发现。

2019年9月12日，来自美国德州大学西南医学中心的Vincent S. Tagliabracci实验室在Cell杂志上发表了题为A Bacterial Effector Mimics a Host HSP90 Client to Undermine Immunity的研究论文。该研究发现细菌的效应分子HopBF1家族是真核分子伴侣HSP90的蛋白激酶。HopBF1可“伪装”成HSP90的“客户蛋白”，并引起HSP90的磷酸化，从而完全抑制分子伴侣HSP90的ATPase活性；HSP90的磷酸化抑制免疫受体的激活，抑制植物的过敏反应。

研究人员首先对161个HopBF1同源蛋白进行序列分析，发现存在参与蛋白激酶活性的保守残基，包括在预测的β1-β2 ATP结合环中高度保守的甘氨酸残基、与典型蛋白激酶PKA的D166和D184相对应的活性位点残基。为了进一步探究HopBF1的分子功能，研究人员解析了革兰氏阴性致病菌Ewingella americana的HopBF1在无核酸结合和与ATP类似物AMP-PNP结合的两种晶体结构。结构分析显示，HopBF1具有一个最小的蛋白激酶样折叠，并且含有底物识别和变构调节的关键结构。AMP-PNP结合在HopBF1激酶的N叶和C叶间的一个口袋中，HopBF1含有富甘氨酸环（β1-β2环）能够稳定磷酸基团，与所有蛋白激酶类似。HopBF1在细菌病原体感染过程中或许具有重要作用，研究人员利用植物作为模式宿主进行了探究。利用表达野生型和酶活性失活突变的HopBF1的P. syringae，对Nicotiana benthamiana和Nicotiana tabacum进行侵染，在表达野生型HopBF1的叶片中观察到强烈的坏死和组织塌陷，而在酶活性失活的突变株则不能。在无效应变种P. syringae pv. tomato DC3000中表达野生型和突变型HopBF1，感染Arabidopsis thaliana和N. benthamiana 叶片，观察到类似的结果。这表明HopBF1的酶活性足以在植物中导致严重病症。

那么HopBF1如何与宿主进行相互作用，从而促进病原体侵染？研究人员发现，在酿酒酵母中表达野生型HopBF1导致生长缺陷。鉴定发现，HopBF1与酵母的HSP82和HSC82（人源HSP90的酵母同源蛋白）相互作用并导致磷酸化；而且HopBF1同时可磷酸化小麦HSP90和人源HSP90β蛋白，但不能磷酸化原核的HSP90同源蛋白，如大肠杆菌和P. syringae。质谱分析结合突变实验表明，HSP82的磷酸化位点Ser99，Ser99在HSP90家族中是不变的，通过与ATP的β磷酸基相互作用辅助核酸的结合；HopBF1磷酸化HSP82导致其分子伴侣的ATPase酶活性降低，同时损害其分子伴侣的功能。综上，酵母中表达HopBF1使HSP90被磷酸化失活，损伤其分子伴侣的功能，导致酵母的生长缺陷。

研究人员进一步在人HeLa细胞和植物中证实，细菌感染时HopBF1磷酸化HSP90。植物叶片中HSP90的磷酸化导致组织塌陷，细胞坏死。在病原体和植物互作过程中，细菌病原体使用III型效应分子递送毒力因子，破坏植物的免疫反应；相应的，植物进化出感知效应分子的系统，诱发细胞程序性死亡，导致过敏反应（hypersensitive response，HR）【4】。植物的很多NB-LRR蛋白，如RPM1，是分子伴侣HSP90复合物的“客户蛋白（client protein）”，参与过敏反应发生【5】。检测发现，HopBF1并没有激活植物的过敏反应。HopBF1通过磷酸化并失活HSP90，干扰RPM1等NB-LRR的活化，抑制过敏反应，促进感染。植物的HR没有被诱发，这意味着宿主没有将HopBF1识别为“外来异物”，研究发现HSP90识别HopBF1，并认定为“客户蛋白”。同时发现，HopBF1与HSP90的相互作用不需要共分子伴侣蛋白CDC37；HopBF1的αC- β4环对两者的结合是必需的。

总的来说，研究揭示了细菌效应因子HopBF1家族“伪装”分子伴侣HSP90的“客户蛋白”，并使HSP90磷酸化失活，抑制宿主的免疫反应，从而促进病菌感染；该工作发现了细菌病原体调控宿主免疫的新机制——“挟持背叛机制”，为研究宿主-病原体互作提供了新的视角。

参考文献

1. Deng, W., Marshall, N.C., Rowland, J.L., McCoy, J.M., Worrall, L.J., Santos, A.S., Strynadka, N.C.J., and Finlay, B.B. (2017). Assembly, structure, function and regulation of type III secretion systems.Nat. Rev. Microbiol.15, 323–337.

2. Jones, J.D., Vance, R.E., and Dangl, J.L. (2016). Intracellular innate immune surveillance devices in plants and animals.Science354, aaf6395.

3. Kadota, Y., and Shirasu, K. (2012). The HSP90 complex of plants.Biochim. Biophys. Acta1823, 689–697.

4. Cui, H., Tsuda, K., and Parker, J.E. (2015). Effector-triggered immunity: from pathogen perception to robust defense.Annu. Rev. Plant Biol.66, 487–511.

5. Hubert, D.A., Tornero, P., Belkhadir, Y., Krishna, P., Takahashi, A., Shirasu, K., and Dangl, J.L. (2003). Cytosolic HSP90 associates with and modulates the Arabidopsis RPM1 disease resistance protein.EMBO J.22, 5679–5689.