柴继杰等人在植物免疫领域取得重大突破

   长春花RLK1样(CrRLK1L)家族的受体激酶(RKs)已成为植物繁殖,生长和对环境反应的重要调节因子.内源性快速碱化因子(RALF)肽已被提议作为几种CrRLK1L成员的配体.然而,这种看法的机制是未知的.2019年7月10日,清华大学 柴继杰与东安格利亚大学Cyril Zipfel共同通讯在 Nature 在线发表题为" Mechanisms of RALF peptide perception by a heterotypic receptor complex '的研究文章,该研究 报道 RALF23诱导CrRLK1L FERONIA(FER)和LORELEI(LRE)-LIKE GLYCOSYLPHOSPHATIDYLINOSITOL(GPI)-ACHORED PROTEIN 1(LLG1)之间的复合物以调节免疫信号. 该研究工作揭示了GPI锚定蛋白与植物遗传学上不相关的RK一致的植物肽感知的意外机制,这提供了一个分子框架, 通过CrRLK1L RK和GPI锚定 的LRE / LLG家族蛋白质之间的不同异源复合物的感知,提供了一种分子框架来理解RALF多肽怎样调节多个过程.

富含亮氨酸的重复受体蛋白(NLR)在感知病原体相关效应蛋白时启动免疫应答,但它们在植物中的活化机制不太清楚.以前报道细菌效应蛋白AvrAC通过尿苷化拟南芥中的PBL2激酶,后者(PBL2UMP)将作为配体激活NLR蛋白ZAR1与假激酶RKS1组成的预活化复合体形成''抗病小体'',从而激活免疫反应,但其中许多机制不清楚!  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 论文,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.两篇论文分别是:  " Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex '的研究文章.该研究通过重建了拟南芥中NLB蛋白ZAR1-RKS1和ZAR1-RKS1-PBL2UMP复合物,并分别以和Å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 '的研究文章.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. Science杂志同期发表评论论文,认为"首个抗病小体的发现,为植物怎样控制细胞死亡和免疫提供了线索'"显著推进了人们对植物免疫机制的认识'"打开了多个开拓性研究方向'.

1.通过异型受体复合物感知RALF肽的机制

长春花RLK1样(CrRLK1L)家族的受体激酶(RKs)已成为植物繁殖,生长和对环境反应的重要调节因子. 内源性快速碱化因子(RALF)肽已被提议作为几种CrRLK1L成员的配体 .然而, 这种看法的机制是未知的.

在这里, 研究人员报道RALF23诱导CrRLK1L FERONIA(FER)和LORELEI(LRE)-LIKE GLYCOSYLPHOSPHATIDYLINOSITOL(GPI)-ACHORED PROTEIN 1(LLG1)之间的复合物以调节免疫信号. 结构和生化数据表明,对RALF23反应具有遗传重要性的LLG1或相关的LLG2直接结合RALF23以使RALF23-LLG1 / 2-FER复合物组装成核.RALF23的保守N末端区域足以通过LLG1 / 2/3进行生化识别,并且结合分析表明,可以以类似方法感知共享该保守N末端区域的其他RALF . 结构数据还显示RALF23识别由LLG1 / 2/3的构象灵活的C-末端侧控制.

该研究工作揭示了GPI锚定蛋白与植物遗传学上不相关的RK一致的植物肽感知的意外机制,这提供了一个分子框架, 通过CrRLK1L RK和GPI锚定 的LRE / LLG家族蛋白质之间的不同异源复合物的感知,提供了一种分子框架来理解RALF多肽怎样调节多个过程.

2/3. 首个抗病小体的发现,为植物怎样控制细胞死亡和免疫提供了线索

   植物也有一系列防御机制,如抗性基因(R基因)介导的疾病抗性.R蛋白在病原体感染后被激活介导 效应子触发的免疫(ETI) 并导致局部程序性细胞死亡,称为过敏反应(HR)(见下图).根据结构域组成,R基因至少可被分为五组.其中,含有核苷酸结合位点(NBS)和C末端富含亮氨酸的重复结构域(LRR)的NBS-LRR家族是最大的. 

早在2015年,来自中科院遗传发育所的 周俭民课题组 在 Cell Host & Microbe 杂志上发表题为" The Decoy Substrate of a Pathogen Effector and aPseudokinase Specify Pathogen-Induced ModifiedSelf Recognition and Immunity in Plants' 的研究文章, 该研究 表明激酶PBL2能被来自Xanthomonas 的效应蛋白AvrAC尿甘化后触发免疫.因此,PBL2是充当诱饵并用来检测AvrAC.同时AvrAC的识别还需要ZRK家族的RKS1假激酶和NOD样受体ZAR1.此外,ZAR1与RKS1形成稳定的复合物,当 PBL2 被AvrAC尿苷酰化时,其特异性地被募集,触发ZAR1介导的免疫(如下图).

   然而,上述研究中,仍然具有很多问题需要解决,如 PBL2怎样 激活ZAR1-RKS1复合体的机制不太清楚,同时NLR的ADP-和ATP-结合形式分别对应于"关闭'和"开启'状态,但是ADP怎样从NLR释放以与ATP交换的机制仍然难以捉摸.此外,植物NLR在活化后怎样寡聚化成大蛋白复合物仍然是未知的 .

    在第一项研究中,研究者在共同表达了ZAR1与RKS1,并解析了其复合体在ADP结合状态下的冷冻电镜结构.这一代表ZAR1处于"静息状态'的结构表明,RKS1的异二聚体只与ZAR1的富亮氨酸重复(LRR)结构域进行结合,而对这种结合起到关键作用的氨基酸在同一家族中趋于保守.

     随后,研究人员们在这个复合体中引入了单尿苷酰修饰(mono-uridylylated)的PBL2,并发现它与RKS1的结合会造成构象的显著变化,将ADP排出ATP结合位点.在没有ATP存在的情况下,这一复合体能处于激活的过渡状态.因此,该研 究 揭示了ZAR1-RKS1识别PBL2UMP和PBL2UMP激活ZAR1的机制.

    在第二项研究中,研究者又往ZAR1-RKS1-PBL2(有单尿苷酰修饰)的复合体中添加了dATP,并获取了冷冻电镜结构.有趣的是, 在dATP的作用下,这一复合体会进一步形成五聚体. 研究人员们发现,这种五聚体的氨基端会微微翘起,形成一个漏斗状的结构.他们猜测,这一结构可能会在细胞膜上制造孔洞,协助ZAR1行使其功能.当然,这一猜想还有待进一步的证实.因此,该研究 证明了植物中的 NLR 在免疫激活过程中 类似动物中的 NLR 进行多聚化.

    综上所述,这两项研究成功地组装了ZAR1-RKS1-PBL2UMP复合物(抗病小体),阐明了抗病蛋白从静息状态经过中间状态最终形成抗病小体的生化过程,揭示了抗病小体的工作机制.抗病小体具有重新调动防御系统的能力,并在植物细胞膜上发出自杀指令,让受到感染的植物细胞与细菌同归于尽,从而保护其它健康细胞.该项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本.研究还发现,植物抗病小体的组装方法/结构与功能,与动物免疫中的炎症小体有着惊人的相似,展现了在不同生命形式中,进化对免疫形成的力量.

参考文献:

Jizong Wang et al., (2019), Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex, Science, DOI: 10.1126/SCIence.aav5868

Jizong Wang et al., (2019), Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity, Science, DOI: 10.1126/SCIence.aav5870

Jeffery L. Dangl and Jonathan D. G. Jones, (2019), A pentangular plant inflammasome, Science, DOI:

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