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生命学院柴继杰课题组与合作者在《科学》杂志背靠背发表研究长文发现植物新型抗病信使并揭示其作用机制

2022-07-07 02:01:14

“国以农为本,民以食为天,食以安为先”,保障农业产量的同时减少化学农药施用,达到人与环境和谐共存,是育种学家和科学家一直想要解决的问题。寻找天然的,具有广谱抗性的免疫信号分子将为解决这一重要问题提供了重要的理论基础。病原菌在侵染植物的过程中会向植物细胞内分泌致病因子,植物为了抵御病原微生物的侵染,进化出了不同的受体蛋白识别这些致病因子,并进一步激发植物高效特异的免疫反应。TNLs是植物非常重要的一类受体蛋白,研究发现TNLs受体蛋白在识别致病因子后形成抗病小体,作为NAD+水解酶起始下游的免疫信号通路。目前,TNL抗病小体如何水解NAD+、产生什么信号分子并不明确,同时,信号分子如何调节不同下游抗病信号通路也不清楚。

2022年7月7日,清华大学、科隆大学、马克斯-普朗克植物育种研究所、郑州大学和河南师范大学等多单位合作在《科学》(Science)杂志上背靠背发表两篇研究长文,对上述的两个问题进行了回答,题目分别为“植物新型抗病信使的识别和作用机制”(Identification and receptor mechanism of TIR-catalyzed small molecules in plant immunity)和“植物TIR类抗病蛋白产生小分子信使及其催化机制”(TIR-catalyzed ADP-ribosylation reactions produce signaling molecules for plant immunity)。这两项研究发现了植物中广泛存在的两类新型植物免疫信号分子,可以作为通用的天然免疫分子来抵御多种植物病害,该研究为育种家培育更高抗病能力的作物和科学家设计更具保护能力的小分子提供了理论支持。

图1 植物TIR 受体蛋白催化产生两类小分子调控不同的抗病信号通路

TNLs抗病信号传递依赖于植物独特的EDS1酯酶家族成员,EDS1与其酯酶家族成员PAD4或者是SAG101分别形成异源二聚体来介导致病因子引发的免疫信号通路。在模式植物拟南芥中,EDS1-PAD4与辅助NLR家族的ADR1相互作用来介导植物抗病反应,而EDS1-SAG101与另一辅助NLR家族成员NRG1相互作用来引起植物被侵染部位迅速发生组织坏死(超敏反应),从而限制病原菌生长。

柴继杰教授课题组成功在昆虫体系中重组了TNL免疫通路。通过结构生物学、高分辨质谱以及生物化学方法,解析了结合免疫信号小分子的EDS1-PAD4和EDS1-SAG101复合物的蛋白结构,首次鉴定了植物免疫中TNL全酶产生的信号分子(pRib-ADP/AMP和ADPr-ATP/ADPR)。随后,该团队又获得了抑制态EDS1-PAD4复合物的高分辨率冷冻电镜结构;通过结构及植物体内功能分析,阐明了TIR产生的小分子通过别构效应分别激活下游EDS1-PAD4和EDS1-SAG101复合物的分子机制;揭示了TIR 通过ADP核糖基化作用产生ADPr-ATP/ADPR和pRib-ADP/AMP的酶活机制。这些数据提示TIR结构域的催化产物可以作为第二信使激活植物免疫反应。本研究回答了TNL如何向不同通路传递信号的重要科学问题。TIR催化小分子的发现填补了EDS1抗病信号通路一个缺失环节,为深入理解ETI信号通路提供了重要的理论依据,同时也丰富了TIR类新型蛋白酶的催化机制。鉴定发现的新型核苷类化合物可能作为通用的天然免疫激活分子来抵御植物病害,在植物抗病领域发挥重要作用。同时,这类小分子也为开发新型生物抗病小分子提供了模板。

柴继杰教授课题组长期致力于NLR家族受体的作用机制研究并取得了系列成果:提出了动物胞内模式识别受体NLRC4多结构域互作维持抑制状态及炎症体活化的多米诺效应机制(2013,sceince;2015,science); 阐明了DPP9介导的NLRP1抑制机制及NLRP1炎症小体的激活机制(2021,nature); 提出了植物CNL类抗病蛋白ZAR1形成抗病小体干扰细胞膜稳态起始抗病反应(2019,science;2019, science ;2021,cell)及TNL类抗病蛋白RPP1形成全酶水解NAD+起始植物抗病反应的工作机理(2020,science)。此次又揭示植物TNL型免疫受体下游免疫信号分子的性质及作用机制,是植物抗病蛋白研究领域的重大突破。

清华大学生命学院柴继杰教授、德国马普研究所Jane E. Parker教授、郑州大学/河南师范大学常俊标教授、清华大学生命学院韩志富副研究员为两篇论文共同通讯作者。清华大学生命学院2018级博士生黄诗嘉和2019级博士生贾奥琳,德国科隆大学博士后宋文、德国马普研究所博士后Giuliana Hessler和郑州大学青年教师孟勇刚为第一篇文章共同第一作者;清华大学生命学院2019级博士生贾奥琳和2018级博士生黄诗嘉、德国科隆大学博士后宋文、德国马普研究所博士后王俊丽,郑州大学青年教师孟勇刚,清华大学2018级博士生孙玥为第二篇文章共同第一作者。清华大学生命学院博士后肖裕、马守偲,德国马普研究所博士后于东力、李二通、孙欢欢、Henriette Laessle、Jan Jirschitzka,科隆大学Jan Gebauer、 Ulrich Baumann,郑州大学侯姣、张甜甜、刘瑞齐及于文全教授等也参与了研究工作;清华大学生命学院代谢组学平台刘晓蕙副研究员和许丽娜等对小分子的鉴定作出了重要贡献。国家蛋白质科学中心(北京)、清华大学冷冻电镜平台、清华大学高性能计算平台和上海同步辐射光源为本研究提供了设备和技术支持。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京结构生物学高精尖创新中心、清华-北大生命科学联合中心、德国洪堡基金会、马克斯-普朗克研究所、德意志研究联合会等经费的支持。

论文链接:http://doi.org/10.1126/science.abq3297

论文链接:http://doi.org/10.1126/science.abq8180