Science | 专家点评：植物NLR免疫受体与植物防御反应！

高等植物已经进化出复杂的免疫系统（Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！）。在植物和动物中都存在被称为核苷酸结合亮氨酸富集重复序列（NLR）的细胞内免疫受体。它们对于免疫反应至关重要（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；塞恩斯伯里实验室Sophien Kamoun课题组解读植物如何诱骗病原菌）。被感染后，NLR可以识别特定的病原菌分子并激活防御能力（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）。与NLR种类有限的动物相比，高等植物通常会藏有数百种NLR基因。但是，对其激活和信号传导机制知之甚少。

2020年12月，国际顶级期刊Science发表了加拿大不列颠哥伦比亚大学李昕教授课题组的点评文章，题为Enzyme formation by immune receptors，本文总结了近五年植物NLR免疫受体与植物防御反应的研究进展，并着重点评了近期Science发表的两篇研究论文：Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme（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！）；Structure of the activated ROQ1resistosome directly recognizing the pathogen effector XopQ（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！），它们分别揭示了两个NLR的结构和激活机制：拟南芥对Peronospora PARASITICA 1（RPP1）的识别和烟草对XOPQ 1（ROQ1）的识别。

有两种典型的植物NLR可以感应病原菌效应蛋白：Toll-白介素1受体（TIR）型NLR（TNLs）和卷曲螺旋（CC）型NLR（CNLs），它们根据不同的氨基酸结构与来定义。与哺乳动物NLR一样，植物NLR也包含参与寡聚化的中央核苷酸结合域（NBD）以及经常参与自动抑制和配体识别的富含羧基末端亮氨酸的重复序列（LRR）。TNL和CNL由不同的机制激活，并通过不同的下游组件发出信号。

低温电子显微镜结构分析显示，拟南芥CNL HOPZ-ACTIVATED RESISTANCE 1 (ZAR1)的在效应子识别后，组装成五聚体“抗病小体”，让人联想到介导先天免疫反应的动物炎症反应，ZAR1和衔接蛋白由效应蛋白直接靶向的宿主蛋白（称为诱饵）的状态间接识别病原菌效应蛋白（Nature子刊 | 最新研究揭示茄科植物中保护性诱饵蛋白酶及其受体的进化！）。五聚体在效应蛋白修饰的诱饵结合后组装，导致形成由ZAR1的氨基末端CC域组成的漏斗形结构。据推测，该漏斗与细胞膜结合并触发免疫相关的细胞死亡。迄今为止，尚未阐明全长TNL的抗脂质体结构。

含TIR的蛋白质广泛存在于细菌，古细菌，哺乳动物和高等植物中。在哺乳动物中，TIR是免疫受体以及一些下游衔接蛋白的标志性支架结构域。受体和衔接蛋白之间的TIR结构域相互作用是免疫和炎症信号转导所必需的。相比之下，在细菌，古细菌和高等植物中发现的大量TIR结构域似乎在自缔合后起氧化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）水解酶（NADase）的作用。像SARM1一样，许多植物TNL中的TIR域也表现出NADase活性。

图 1. 一种主要类型的植物抗病小体的形成

对全长SARM1的Cryo-EM分析表明，在静止状态下，它可以组装成八聚体。随着烟酰胺单核苷酸激活剂的激发，SARM1八聚体发生构象变化，破坏了ARM域的NAD+结合位点，从而实现了TIR-TIR二聚化。然后，TIR域之间的相互作用激活其NADase功能。NAD +的耗竭以及包括烟酰胺，二磷酸腺苷核糖（ADPR）和环状ADPR（cADPR）在内的产物的产生似乎共同触发了细胞死亡。由于植物TNL缺少ARM域，因此尚不清楚植物TNL是否形成相似的八聚体或采用平行的自我抑制机制。

拟南芥TNL RPP1从卵菌病原菌Hpa中鉴定出其同源效应蛋白ARABIDOPSISTHALIANA RECAGNIZED 1（ATR1）。实际上，RPP1和ATR1基因都是高度多态的。特定的RPP1变体会感知到不同的ATR1。相比之下，烟草TNL ROQ1通过直接识别保守的黄单胞菌胞外蛋白Q（XopQ）来监测黄单胞菌的感染。RPP1和ROQ1都通过直接的NLR效应蛋白相互作用来识别各自的效应物ATR1和XopQ，这会触发强烈的免疫反应来限制病原菌定殖，包括宿主细胞死亡。尽管存在差异，但RPP1-ATR1和ROQ1-XopQ仍形成高度相似的四聚体结构（图1），这表明TNL可能存在共同的激活机制。这些抗病小体结构提供了有关RPP1和ROQ1如何直接识别其同源效应因子并四聚化以促进NADase活性从而激活下游免疫应答的关键见解。未来对其他TNL抗病小体的分析可能有助于解决该观察结果的生物学作用。

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