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3篇Science | 清华大学柴继杰等人揭示植物感应病原体的分子机制

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2020-12-08   来源 : iNature    百度浏览

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自我与非自我的区别对于细胞有机体至关重要,因为它可以感知病原性入侵者,否则这些入侵者可能不受控制地繁殖并导致宿主疾病。多细胞生物部署了复杂的免疫系统,在该系统中,专用免疫受体的组成部分发挥着核心作用。先天免疫是植物和动物免疫的进化古老分支,它依赖于结构相关的编码受体。细胞内部一类称为NLR蛋白家族的免疫受体共享一个核苷酸结合域和富含亮氨酸的重复序列(LRR)。植物感应器NLR分为两个主要类别,分别由不同的N末端域定义:CC-NLR(CNL)中的卷曲螺旋(CC)域和TIR-NLR中的Toll-IL-1受体(TIR)域(TNL)。对支配NLR识别非自身行为及其激活先天免疫应答的原理的更深入了解,需要基于蛋白质结构的方法和信号活性受体复合物的重构。

2020年12月4日,清华大学,科隆大学等多单位合作,柴继杰,Jane E. Parker及Paul Schulze-Lefert共同通讯在Science 在线发表题为“Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme”的研究论文,该研究报告了RTR1受ATR1约束的冷冻电子显微镜结构。该结构揭示了一个C端jelly roll/ Ig样域(C-JID),用于特定的ATR1识别。生化和功能分析表明,ATR1与C-JID和LRR结合,以诱导烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水解酶(NADase)活性所需的RPP1四聚体组装。RPP1四聚产生两个潜在的活性位点,每个活性位点由不对称的TIR同型二聚体形成。该研究数据定义了由植物NLR导致信号传导活性全酶形成的直接效应子识别机制。

总而言之,该研究发现表明RPP1抵抗小体可作为病原体效应剂诱导的NAD +水解全酶。四聚体RPP1寡聚体结构提供了植物NLR受体对病原体直接识别的例子,并揭示了导致NLR构象活化的菌株特异性识别机制。该研究工作提出了RPP1四聚体的多层调节,包括ATR1结合,核苷酸结合域之间相互作用驱动的RPP1寡聚以及RPP1TIR自缔合。该分析为RPP1全酶介导的诱导NAD +水解和TNL受体信号传导的框架提供了结构上的见识。 作为全酶,RPP1抵抗小体与动物凋亡小体和炎性小体具有相似性,它们在募集蛋白酶后会形成全酶。

另外,2019年4月4日,清华大学柴继杰课题组、中科院遗传发育所周俭民课题组和清华大学王宏伟课题联合同期背靠背发表两篇重量级Science文章,完成了植物NLR蛋白复合物的组装、结构和功能分析,揭示了NLR作用的关键分子机制,是植物免疫研究的里程碑事件。"Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex”的研究论文。该研究通过重建了拟南芥中NLB蛋白ZAR1-RKS1和ZAR1-RKS1-PBL2UMP复合物,并分别以3.7和4.3Å的分辨率确定了它们冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构,揭示了ZAR1-RKS1识别PBL2UMP和PBL2UMP激活ZAR1的机制,为理解NLR蛋白提供了结构模板!"Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity”的研究论文。该研究重建了ZAR1-RKS1-PBL2UMP-dATP活性复合体,证明了其复合体在免疫激活过程中进行寡聚化,并揭示了其激活免疫反应的机制!这两项研究在植物免疫研究领域取得历史性的重大突破,填补了人们25年来对植物抗病蛋白认知的巨大空白,将为研究其它抗病蛋白提供范本。



细胞内核苷酸结合亮氨酸丰富的重复免疫受体(NLR)已在植物和动物中独立进化,以检测病原体干扰。植物感应器NLR分为两个主要类别,分别由不同的N末端域定义:CC-NLR(CNL)中的卷曲螺旋(CC)域和TIR-NLR中的Toll-IL-1受体(TIR)域(TNL)。植物NLR直接或间接识别病原体效应蛋白会触发称为效应子触发的免疫反应,通常以尝试感染部位的快速宿主细胞死亡(超敏反应)为特征。除了C端LRR结构域外,植物NLR的非规范整合结构域在赋予特定效应子识别中也起着关键作用。

尽管效应子识别的模式各不相同,但广泛认为配体感应可诱导NLR寡聚化以进行信号传导。例如,最近对拟南芥CNL ZAR1的结构研究表明,细菌效应子AvrAC诱导的ZAR1抵抗小体呈轮状结构,类似于动物中的NLR炎性小体。大量证据表明,CNL的CC域和TNL的TIR域在NLR激活后介导信号传导。TIR结构域信号传导作用进一步得到了生化测定的支持,该生化测定检测了TNL介导的免疫所需的NADase活性。对单个TIR结构域的结构和功能研究表明,它们具有作为同二聚体或异二聚体的自缔合能力,这对于免疫诱导很重要。在全长受体的情况下,如何通过TNL效应子识别来启用TIR域信号传导活性尚不清楚。

拟南芥RPP1的成员TNL家族特异性识别由叶卵菌病原体(Hpaperoperonospora arabidopsidis(Hpa))产生的同源ATR1效应子变体。在寄主和病原体种群中,来自拟南芥种的RPP1和来自Hpa菌株的ATR1都是高度多态的。Rpa1变体识别不同形式的ATR1是Hpa种族特异性的,表明宿主-病原体协同进化。在烟草瞬时基因表达分析中概括了导致拟南芥叶片宏观宿主细胞死亡的特定RPP1-ATR1识别。结合生化数据,这些研究表明RPP1 C端LRR结构域需要直接结合的ATR1形式。

该研究报告了RTR1受ATR1约束的冷冻电子显微镜结构。 该结构揭示了一个C端jelly roll/ Ig样域(C-JID),用于特定的ATR1识别。 生化和功能分析表明,ATR1与C-JID和LRR结合,以诱导烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水解酶(NADase)活性所需的RPP1四聚体组装。 RPP1四聚产生两个潜在的活性位点,每个活性位点由不对称的TIR同型二聚体形成。 该研究数据定义了由植物NLR导致信号传导活性全酶形成的直接效应子识别机制。

总而言之,该研究发现表明RPP1抵抗小体可作为病原体效应剂诱导的NAD +水解全酶。 四聚体RPP1寡聚体结构提供了植物NLR受体对病原体直接识别的例子,并揭示了导致NLR构象活化的菌株特异性识别机制。 该研究工作提出了RPP1四聚体的多层调节,包括ATR1结合,核苷酸结合域之间相互作用驱动的RPP1寡聚以及RPP1TIR自缔合。 该分析为RPP1全酶介导的诱导NAD +水解和TNL受体信号传导的框架提供了结构上的见识。 作为全酶,RPP1抵抗小体与动物凋亡小体和炎性小体具有相似性,它们在募集蛋白酶后会形成全酶。

参考消息:
https://science.sciencemag.org/content/370/6521/eabe3069



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