Science | 清华大学和马普所重磅研究！植物免疫受体：一个巴掌拍不响！

尽管经过数百万年的进化，植物和动物已经独立地形成了类似的先天免疫策略，以保护自己免受微生物感染（Cell Host Microbe | 重磅！德国马普所发现植物独立进化出了与动物相似的免疫蛋白家族；Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！塞恩斯伯里实验室Sophien Kamoun课题组解读植物如何诱骗病原菌）。在两个生命界中，被称为核苷酸结合/富含亮氨酸的重复（NLR）蛋白的免疫受体形成了细胞内部抵御病原体攻击的重要防御层（Molecular Plant | 王国梁和宁约瑟团队研究揭示NLR介导的水稻抗病新机制）。NLR是由几个模块组成的复杂装置，这些模块识别来自入侵微生物的分子（称为效应蛋白），然后局部激活抵抗力和细胞死亡途径以限制侵染。根据不同的结构和信号传导特征，植物NLR分为两大类：包含卷曲螺旋（CC）模块（CNL蛋白）和包含Toll /白介素1受体/抗性（TIR）模块（TNL蛋白）。在最新的一项研究中，马克斯·普朗克植物育种研究所（MPIPZ）（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）的研究人员和洪堡教授柴继杰（New Phytologist | 德国马克斯普朗克植物育种所柴继杰课题组综述植物防御中的结构生物学！）及其团队首次成功将分子事件的序列拼凑在一起，这些事件将无活性的TNL型植物免疫受体转化为介导宿主细胞死亡的活性“抗病小体”复合物。

2020年12月4日，国际顶级学术期刊Science发表了清华大学和MPIPZ的这项研究成果，题为Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme的研究论文。柴继杰还隶属于科隆大学，与研究小组负责人Jane Parker和MPIPZ主任Paul Schulze-Lefert（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）联手对一种植物细胞内免疫受体的合作研究不仅展示了病原菌侵染过程中重要的抗性蛋白是如何被激活的，而且还揭示了与人类免疫蛋白的一些共同的操作原理。

在该研究中，研究人员确定了Recognition of Peronospora parasitica 1（RPP1）TNL型NLR受体激活的结构和生化特征，该受体保护模式植物拟南芥不受卵菌病原体Hyaloperonospora arabidopsidis（Hpa）的感染。为了在分子水平上理解RPP1如何保护植物免受Hpa感染，柴继杰，Schulze-Lefert，Parker及其同事在昆虫细胞中表达了RPP1以及公认的Hpa效应蛋白ATR1，该系统可实现高水平的蛋白质表达。ATR1激活的RPP1受体是一种分解烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD +）的酶，这对防御信号传导很重要。

通过分离RPP1-ATR1寡聚复合物并将其置于低温电子显微镜下，科研人员回答了NLR生物学中的两个悬而未决的问题：效应蛋白直接结合如何诱导NLR受体的构象激活，以及TNL受体低聚物的组织方式-在这种情况下，由四个紧密堆积的受体分子组成的四聚体会在受体的一部分内产生一个独特的表面，这对于裂解NAD +来启动防御信号是必需的。具体来说，由ATR1诱导的RPP1在受体复合物一端的四聚体化迫使--在另一端--四个TIR模块形成两个不对称的TIR对，它们是NAD +分解的位点。因此，RPP1抗病小体起“全酶”的作用，是NAD裂解酶的活性形式。

病原体激活一种NLR组合酶

RPP1抗病小体的四聚体组装

ATR1被RPP1识别的结构机制

RPP1抗病小体具有Mg2+/Ca2+依赖的NAD酶活性

四聚体RPP1抗病小体中两个不对称的RPP1 ^TIR二聚体组装两个活性位点

ATR1对RPP1的激活

令人惊讶的是，来自加利福尼亚大学伯克利分校的Eva Nogales和Brian Staskawicz小组在另一种TNL型NLR，来自烟草亲缘植物Nicotiana benthamiana的Roq1上的发现也表明，TNL激活涉及直接的效应蛋白识别和采用类似的四聚体结构。Roq1识别的效应蛋白是由细菌病原体产生的，活化的Roq1受体复合物可抵抗细菌感染（见下文Science | 重磅！加州伯克利研究揭示植物抗病小体ROQ1识别病原菌效应蛋白新机制！）。因此，MPIPZ研究人员的发现似乎对于理解这些关键的植物免疫分子如何保护其宿主免受感染具有广泛的意义。更一般而言，活性RPP1和Roq1所采用的寡聚体构型类似于其他植物和哺乳动物NLR受体蛋白（包括先天免疫系统的人类受体）的诱导寡聚体支架。这表明这些受体依赖于共同的结构原理来引发细胞内免疫信号转导和跨不同生命界的细胞死亡。

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