Cell突破！周俭民/陈宇航/何康敏/柴继杰合作揭示ZAR1抗病小体激活免疫反应的分子机制

责编 | 奕梵

植物先天免疫是植物在与病原微生物长期共同进化的过程中逐渐形成的免疫对抗机制，用来抵抗病原微生物的侵害。植物先天免疫的一类重要组成部分是效应蛋白引起的先天免疫（Effector-Triggered Immunity, ETI）。NLR（Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing receptor）是调节ETI的一类主要受体蛋白。根据NLR蛋白的N端结构域，NLR主要分为两类：CNL (CC-NB-LRR) 和TNL (TIR-NB-LRR)【1】。这两类受体蛋白都可以直接或者间接地识别病原菌效应蛋白进而引起ETI【2】。

抗病蛋白ZAR1是CNL类蛋白，中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究组与清华大学柴继杰研究组和王宏伟研究组前期合作发现，ZAR1在体外激活后组装为一个五聚体的抗病小体 (resistosome)，揭示了抗病蛋白识别和组装的分子机制【3,4】（点击查看：Science背靠背 | 柴继杰/周俭民/王宏伟合作团队首次发现植物抗病小体）。但ZAR1在植物体内是否形成五聚体以及抗病小体的具体生化和细胞学功能依然不清楚。

2021年5月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民、陈宇航、何康敏和清华大学柴继杰合作在Cell发表了题为The ZAR1 resistosome is a calcium-permeable channel triggering plant immune signaling的研究论文，通过植物免疫学、膜生物学、单分子成像和结构生物学等多学科交叉合作，解析了ZAR1抗病小体激活免疫反应的分子机制。

在此前工作的基础上，该研究运用单分子成像发现，激活后的ZAR1蛋白可以在植物细胞膜上形成五聚体复合物。体外组装的ZAR1抗病小体直接插入脂双层中，具有Ca²⁺可通透性的阳离子通道活性，并且该离子通道活性依赖于Glu11氨基酸残基。进一步研究发现，激活后的ZAR1在植物细胞中促进依赖于Glu11的Ca²⁺内流、亚细胞结构的扰动、活性氧的产生和细胞死亡等一系列生理反应。因此，ZAR1抗病小体具有离子通道活性，其对激活钙信号以及下游免疫反应和细胞死亡不可或缺。

定位于质膜的抗病小体通过其阳离子通道活性激活钙离子流和免疫反应

该研究是植物抗病小体研究的又一重大突破。抗病小体作用机制的解析，推进了我们对植物免疫系统的认识，并将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白，发展绿色农业带来新的启示。

据了解，文章审稿人对该工作给予了高度评价，认为“这些重要发现，将改变人们对抗病蛋白触发细胞死亡的认识”；“利用全内反射荧光显微镜（TIRF）实时跟踪定位于细胞膜的抗病小体令人振奋，这将促进许多同行开展类似研究”。

据悉，周俭民研究组毕国志博士、陈宇航研究组苏敏博士和何康敏研究组李楠博士为该论文的共同第一作者，周俭民研究员、陈宇航研究员、何康敏研究员和柴继杰教授为论文共同通讯作者。北京师范大学的李杰捷教授也参与了部分研究。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

参考文献

【1】T. Maekawa, T. A. Kufer, P. Schulze-Lefert, NLR functions in plant and animal immune systems: so far and yet so close. Nature immunology 12, 817-826 (2011).

【2】Stuart, L.M., Paquette, N., and Boyer, L. (2013). Effector-triggered versus pattern-triggered immunity: how animals sense pathogens. Nat. Rev. Immunol. 13, 199-206.

【3】J. Wang et al., Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science 364, eaav5870 (2019).

【4】J. Wang et al., Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science 364, eaav5868 (2019).

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00600-0