Science | 重磅研究揭示植物免疫蛋白触发细胞死亡的机制！

研究人员拼凑出关键植物免疫蛋白杀死细胞以抵御病原体的机制

植物细胞自我毁灭以求生存（Cell | 重磅！中科院遗传发育所周俭民等人研究揭示抗病蛋白如何保护植物免受病原体的侵害！）。在检测到病原体后，它们会引发连锁反应，最终摧毁它们，防止疾病传播。现在，科研人员已经发现了这种自我毁灭背后的机制。植物防御蛋白聚集在一起刺穿细胞膜，打开进入受感染细胞的通道。2021 年 6 月 17 日，顶级权威学术期刊Science发表了北卡罗来纳大学教堂山分校Jeffery L. Dangl（近5年50篇高水平文章！Jeff Dangl院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）和中国科学院植物生理生态研究所万里以及杜克大学裴真明（Nature | 重磅研究揭示过氧化氢受体HPCA1是拟南芥中的LRR受体激酶！）团队合作的最新相关研究成果，题为Plant “helper” immune receptors are Ca²⁺-permeable nonselective cation channels的研究论文。

已知这种病原体诱导的细胞死亡发生在植物中。防御蛋白在 1990 年代中期首次被发现，但没有人知道它们是如何控制细胞死亡和免疫反应的，本研究揭示它们通过一种前所未见的途径发挥作用。因为这个蛋白质家族存在于大多数陆地植物中，所以该机制可能适用于整个植物界。这是一个非常重要的进步。

科研人员研究的蛋白质称为 NLR，可检测特定的病原体分子（Nature | 重磅！中科院植生所辛秀芳团队揭示模式识别受体是NLR介导的植物免疫所必需的！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！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！Science | 专家点评：植物NLR免疫受体与植物防御反应！Annual Review of Plant Biology | 植物和动物细胞内守护者NLRs的比较概述！Nature Reviews Immunology | 重磅！Paul Schulze-Lefert综述NLR介导的植物免疫！）。大多数植物携带数百个 NLR 的基因。几年前，科研人员偶然发现了一篇论文，报道了其中一种蛋白质的有趣现象，它们聚集在一起并向细胞膜移动——这种行为在制造膜通道的蛋白质中很常见。科研人员想知道NLR 蛋白是否会发生类似的事情，以及它是否可能与细胞死亡途径有关。研究人员使用X 射线晶体学技术来拍摄这种 NLR 蛋白质结构的详细照片。然后对蛋白质进行了有针对性的突变，以了解不同位置的变化如何影响其功能。通过测试不同版本的蛋白质在细胞和实验室培养皿中的表现，研究人员拼凑出其作用模式的图片。这张照片看起来是这样的：在病原体存在的情况下，NLR 蛋白融合成一种巨型蛋白。然后，部分蛋白质形成漏斗状结构，刺入受感染细胞的膜。这会创建一个通道，让钙进入细胞。因为高水平的钙是有毒的，流入可能意味着细胞死亡。

在另一项实验中，科研人员设计了包含 NLR 蛋白的人类细胞。人体细胞没有植物免疫系统的任何其他部分。但结果表明，仅仅拥有一种活性 NLR 蛋白就足以让钙进入并杀死细胞。这表明蛋白质是钙激增背后的驱动力。接下来，该团队正在探索钙是直接杀死植物细胞，还是开启其他导致细胞死亡的防御途径。敲定这些途径可以更好地了解植物如何保护自己，这有助于改进抗病作物的设计。

图 1 NRG1.1 CC-R 类似于 ZAR1 和 MLKL 4 螺旋束

图 2 活性 NRG1.1 (D485V) 在质膜上寡聚化并触发细胞死亡

图 3 NRG1.1 形成可渗透 Ca²⁺ 而不是 Cl^- 的离子通道

图 4 Ca²⁺ 流入和细胞死亡需要保守 RNL 基序中的负电荷残基

图5 NRG1.1 D485V形成非选择性阳离子通道

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