Nature Plants | 又一篇！中科院遗传发育所周俭民团队揭示植物免疫中的过氧化氢信号感应机制!

非生物和生物胁迫以及许多发育开关的生物特征是H₂O₂的瞬时或持久增加。然而，静止的细胞H₂O₂浓度在纳摩尔范围内，即使在适度的胁迫下，H₂O₂量也保持较低，无法有效地氧化大多数目标蛋白的硫醇。此外，蛋白质硫醇的直接氧化将无法实现信号的特异性。H₂O₂依赖性氧化的最敏感靶标是过氧化物酶（PRX）或谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）家族的硫醇过氧化物酶。这些硫醇过氧化物酶的去质子化过氧化硫醇在细胞内所有蛋白质中对H₂O₂的亲和力最高。这一奇特的特性使这些过氧化物酶成为主要H₂O₂传感蛋白的理想候选。

2022年10月14日，国际权威学术期刊Nature Plants发表了题为The cytosolic thiol peroxidase PRXIIB is an intracellular sensor for H₂O₂ that regulates plant immunity through a redox relay的研究论文和题为H₂O₂sensing in immunity的评论，中国科学院遗传与发育生物学研究所的周俭民（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！Cell Host & Microbe | 中科院遗传发育所周俭民团队研究揭示植物免疫受体的信号调控机制！Plant Cell | 南师大韩管助和中科院周俭民团队研究揭示植物抗病小体的起源和进化机制！New Phytologist | 中科院遗传发育所周俭民团队揭示控制水稻抗病和产量的关键作用蛋白！）和国家蛋白质科学中心杨靖团队合作确定了细胞膜过氧化物酶PRXIIB是拟南芥对模式致病菌Pst DC3000感染的第一道防御反应中的一个重要氧化还原传感蛋白。在病原体攻击时，叶片气孔关闭以限制病原体进入叶片细胞间。气孔关闭采用了脱落酸（ABA）依赖性和独立性的途径。

ABA导入细胞膜或在保卫细胞内自主合成，增加了细胞膜中的ABA浓度，导致ABA与ABA受体的结合，ABA受体由PYR/PYL/RCAR组成。反过来，ABA受体复合物与A族蛋白磷酸酶（PP2C和ABI1/2）结合并抑制。它们的靶标，即SnRK2，即OST1的去磷酸化被抑制，导致OST1磷酸化增加，激活其激酶活性（图1）。磷酸化的OST1然后直接或间接地影响许多膜蛋白。OST1调节保卫细胞质膜上的外向型转运蛋白，另一方面则抑制内向型转运蛋白和质子泵。作为这种重新编程的结果，保卫细胞释放溶质，失去细胞张力并关闭气孔。气体交换和致病菌的进入被抑制。

图1：硫醇过氧化物酶PRXII作为OST1依赖性气孔关闭的调节器发挥作用

磷酸酶ABI1/2的氧化硫醇调节在20年前就有报道。然而，与活细胞中遇到的通常水平相比，氧化所需的H₂O₂浓度似乎太高。将ABI1/2的氧化还原调控与硫醇氧化还原调控网络结合起来，似乎是解决这一问题的潜在办法。科研人员证明了PRXII作为氧化还原传感蛋白和转换蛋白在体外和体内有效氧化ABI1/2的要求。

植物基因组编码了四种不同类型的PRXs。II型PRXs定位在线粒体、质体和细胞膜。在拟南芥基因组中发现了四种高度相似的细胞膜异构体，被命名为PRXIIA、B、C和D。主要的表达形式是PRXIIB。缺少这三种异构体的基因编辑植物在Pst DC3000接种时显示气孔关闭不足。在PRXs与过氧化物底物反应过程中，催化中心的过氧化物硫酸盐被氧化成亚磺酸衍生物。第二个解析的Cys残基通常与过氧化的Cys的亚磺酸残基反应，并形成一个二硫桥。氧化的PRX通过使用像硫氧还蛋白（TRXs）或谷胱甘肽（GRX）这样的氧化还原因子与谷胱甘肽（GSH）一起再生，并因此可能启动另一个过氧化物解毒的催化循环。

由于其特定的催化中心，PRXs对过氧化物底物，特别是H₂O₂有非常高的亲和力。它们解毒过氧化物，但也可能作为过氧化物传感蛋白，利用三种机制传递氧化还原信息。(1）还原和氧化形式之间的转换伴随着PRX蛋白的构象变化，其中部分包括多聚体的形成。还原和氧化形式显示不同的特性，并可能与不同的目标蛋白结合，调节它们的活性。(2)氧化的PRXs必须在下一个催化周期之前被TRX或GRX/GSH等氧化还原递质所还原。在H₂O₂的存在下，电子从TRXs等氧化还原递质中被抽走，从而被氧化。被氧化的TRX反过来可能氧化靶标蛋白并调节其活性。例如，这种机制在快速调整光合作用二氧化碳同化的卡尔文-本森循环活动中起着决定性的作用，以应对变化的光照条件。(3）PRX的亚磺酸形式可能与相互作用伙伴的硫醇反应，形成分子间的二硫桥。这种机制已被证明适用于酵母硫醇过氧化物酶GPX3通过分子间二硫化物的形成和随后的二硫化物重排来激活酵母转录因子YAP17。在本研究中，科研人员证明了植物中存在这第三种机制。

在体外有PRXIIB的情况下，ABI1/2的H₂O₂依赖性氧化在亚摩尔浓度下进行，而在没有PRXIIB的情况下，ABI2的氧化需要超过100μM的H₂O₂。这是一个令人信服的结果，因为它将ABI1/2的氧化置于生理上相关的H₂O₂浓度的背景中。在病原体攻击时，被命名为病原体相关分子模式（PAMPs）的非自身分子会激活受体，而受体又会刺激RBOH质膜氧化酶进行细胞外O2.^-形成。分解后，产生的H₂O₂通过水通道蛋白进入细胞，并氧化PRXIIB。如科研人员所示，与ABI1/2形成的分子间二硫化物及其氧化通过激活OST1引发气孔关闭，从而抑制细菌进入（图1）。这种防御机制在PRXIIB/C/D缺陷的拟南芥中是不存在的。

PRXIIB和ABI2之间特定的分子间复合物形成，以及缺乏细胞膜PRXIIs的生理后果，是未来植物胁迫适应和发展的类似研究的蓝图。各种植物GPX和PRX异构体可以敏感地感知H₂O₂。它们很可能与细胞目标蛋白进行特定的相互作用，进行调节。体外相互作用研究是否足够具体，或者是否需要像科研人员的研究中进行的体外方法来检索生理上相关的相互作用伙伴，需要进一步调查。硫醇过氧化物酶是使依赖H₂O₂的环境适应的反应机制敏感化的最佳候选。由于这个原因，这项研究在建立活性氧、感应和反应激发之间的联系方面提供了非常重要的进展。

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