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10篇CNS,柴继杰等团队在植物抗病领域取得重要进展

iNature前沿

2022-09-22 21:52四川

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植物依靠细胞表面定位的模式识别受体来检测病原体或宿主衍生的危险信号并触发免疫反应。具有富含亮氨酸重复 (LRR) 胞外域的受体样蛋白 (RLP) 构成了模式识别受体的一个亚组,在植物免疫中起关键作用。LRR-RLPs 的配体识别和激活机制仍然难以捉摸。

2022年9月21日,清华大学生命学院柴继杰教授、南京农业大学植物保护学院王源超教授、清华大学生命学院韩志富副研究员和南京农业大学植物保护学院王燕副教授共同通讯在Nature 在线发表题为“Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase”的研究论文,该研究通过解析受体RXEG1单独(apo-RXEG1)、受体-配体识别(RXEG1-XEG1)和受体-配体-共受体复合物(RXEG1-XEG1-BAK1)等多种不同状态的结构,结合生物化学和植物细胞生物学等手段进一步阐明了其发挥功能的具体机制。

该研究阐明了细胞膜受体蛋白RXEG1识别病原菌核心致病因子XEG1激活植物免疫的作用机制,首次揭示了细胞膜受体蛋白具有激活免疫活性和直接抑制致病因子XEG1酶活的双重免疫功能,对认识、合理利用和精准改造植物免疫受体,提高作物广谱抗性具有重要的指导意义。

另外,2022年8月22日,南方科技大学郭红卫教授团队与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰教授团队合作在Cell 发表了题为“ Extracellular pH sensing by plant cell-surface peptide-receptor complexes”的研究论文,该研究揭示了细胞表面的小肽-受体复合物作为胞外pH感受器,调控植物生长和免疫的机制(点击阅读)。

2022年7月8日,Science 杂志同期背靠背在线发表了来自清华大学生命科学学院/科隆大学柴继杰教授课题组,与马克斯-普朗克植物育种研究所Jane E. Parker教授和郑州大学/河南师范大学常俊标教授合作题为“Identification and receptor mechanism of TIR-catalyzed small molecules in plant immunity”和“TIR-catalyzed ADP-ribosylation reactions produce signaling molecules for plant immunity”两篇论文。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。

2022年5月20日,科隆大学/清华大学柴继杰,德国马克斯普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert及新加坡南洋理工大学吴彬共同通讯在Cell 在线发表题为“TIR domains of plant immune receptors are 2′,3′-cAMP/cGMP synthetases mediating cell death”的研究论文,该研究表明植物 TIR 蛋白除了是 NADase 外,还通过水解 RNA/DNA 充当 2',3'-cAMP/cGMP 合成酶。结构数据显示,TIR 结构域采用具有互斥 NADase 和合成酶活性的不同寡聚体。特异性破坏合成酶活性的突变消除了本氏烟草 (Nb) 中 TIR 介导的细胞死亡,支持这些 cNMP 在 TIR 信号传导中的重要作用。此外,TIR-NLR 信号转导的拟南芥负调节因子 NUDT7 显示 2',3'-cAMP/cGMP 但不显示 3',5'-cAMP/cGMP 磷酸二酯酶活性,并抑制 Nb 中 TIR 的细胞死亡活性。总之,该研究确定了一个 2',3'-cAMP/cGMP 合成酶家族,并确定了它们在植物免疫反应中的关键作用(点击阅读)。

2021年5月12日,中国科学院遗传发育生物研究所,北京大学,北京师范大学,清华大学等多单位合作,周俭民,陈宇航,何康敏及柴继杰共同通讯在Cell 在线发表题为“The ZAR1 resistosome is a calcium-permeable channel triggering plant immune signaling”的研究论文,该研究采用单分子成像来显示活化的ZAR1蛋白可以在质膜中形成五聚体复合物。ZAR1抵抗小体在非洲爪蟾卵母细胞中以依赖于位于通道孔中的保守酸性残基Glu11的方式显示离子通道活性。预组装的ZAR1抵抗小体很容易掺入脂质双层中,并表现出钙可渗透的阳离子选择性通道活性。此外,该研究显示ZAR1在植物细胞中的激活导致Glu11依赖的Ca2 +涌入,亚细胞结构的扰动,活性氧的产生以及细胞死亡。因此,该研究结果支持ZAR1抵抗小体充当钙可渗透的阳离子通道,从而触发免疫力和细胞死亡(点击阅读)。

2021年3月17日,清华大学,科隆大学等多单位合作,柴继杰及Franklin Zhong共同通讯在Nature 在线发表题为”Structural and biochemical mechanisms of NLRP1 inhibition by DPP9“的研究论文,该研究提供结构和生化证据,全长的大鼠NLRP1(rNLRP1)和大鼠DPP9(rDPP9)形成2:1的复合物,其中包含自动抑制的rNLRP1分子和rNLRP1的活性UPA–CARD片段。在一起,该研究数据揭示了DPP9介导的NLRP1抑制的机制,并阐明了NLRP1炎性小体的激活(点击阅读)。

2020年12月4日,清华大学,科隆大学等多单位合作,柴继杰,Jane E. Parker及Paul Schulze-Lefert共同通讯在Science 在线发表题为“Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme”的研究论文,该研究报告了RTR1受ATR1约束的冷冻电子显微镜结构。该结构揭示了一个C端jelly roll/ Ig样域(C-JID),用于特定的ATR1识别。生化和功能分析表明,ATR1与C-JID和LRR结合,以诱导烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水解酶(NADase)活性所需的RPP1四聚体组装。RPP1四聚产生两个潜在的活性位点,每个活性位点由不对称的TIR同型二聚体形成。该研究数据定义了由植物NLR导致信号传导活性全酶形成的直接效应子识别机制(点击阅读)。

2019年4月4日,清华大学柴继杰课题组、中科院遗传发育所周俭民课题组和清华大学王宏伟课题联合同期背靠背发表两篇重量级Science 文章,完成了植物NLR蛋白复合物的组装、结构和功能分析,揭示了NLR作用的关键分子机制,是植物免疫研究的里程碑事件。"Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex”的研究论文。该研究通过重建了拟南芥中NLB蛋白ZAR1-RKS1和ZAR1-RKS1-PBL2UMP复合物,并分别以3.7和4.3Å的分辨率确定了它们冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构,揭示了ZAR1-RKS1识别PBL2UMP和PBL2UMP激活ZAR1的机制,为理解NLR蛋白提供了结构模板!"Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity”的研究论文。该研究重建了ZAR1-RKS1-PBL2UMP-dATP活性复合体,证明了其复合体在免疫激活过程中进行寡聚化,并揭示了其激活免疫反应的机制!这两项研究在植物免疫研究领域取得历史性的重大突破,填补了人们25年来对植物抗病蛋白认知的巨大空白,将为研究其它抗病蛋白提供范本。

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在与病原菌的长期斗争中,植物进化出精细、复杂的多层免疫系统保护自身免受侵害。定位于细胞膜表面的植物模式识别受体(Pattern Recognition Receptors,PRRs)作为监控病原菌侵害的“前哨”,通过识别病原菌的病原相关分子模式(Microbe- or Pathogen-Associated Molecular Patterns,MAMPs/PAMPs),激活对多种病原菌的广谱抗性 (PRR-Triggered Immunity,PTI)。PRR主要是由受体激酶(Receptor Kinases, RKs)和受体蛋白(Receptor-Like Proteins, RLPs)组成。其中重要的一类PRR胞外配体识别结构域由富含亮氨酸重复基序(LRR)构成,因此被称为LRR型PRR,其可进一步分为LRR- RKs和LRR- RLPs。尽管目前我们对受体激酶 (LRR- RKs)的配体识别及活化的分子机制有了较为深刻的理解,但是对于参与植物抗病的另一大类LRR- RLPs的配体识别及活化分子机制一直不清楚。

针对病原菌核心致病因子XEG1,王源超团队开展了系统而深入的研究。2015年首次发现大豆疫霉菌在侵染大豆早期分泌的糖基水解酶XEG1通过降解细胞壁破坏植物的抗病性。XEG1是细菌、真菌和卵菌等多种病原菌中广泛存在的一类保守的糖基水解酶,可被烟草、大豆、番茄等多种植物识别诱导免疫反应。为了解析XEG1的免疫识别机制,该团队建立了高通量植物细胞膜免疫受体筛选体系,成功鉴定到植物识别XEG1的免疫受体RXEG1。RXEG1编码细胞膜富亮氨酸重复序列受体蛋白,识别XEG1后与细胞膜受体蛋白激酶BAK1互作形成复合物传导免疫信号。RXEG1能够识别不同疫霉菌和真菌分泌的XEG1家族蛋白,作为一个免疫受体调节植物对不同病原菌的广谱抗性。然而RXEG1识别XEG1发挥抗病功能的作用机制尚不清楚。

柴继杰教授团队长期致力于动植物先天免疫相关蛋白质复合物的功能与结构研究,在植物模式识别受体结构和作用机制解析方面取得系列重要进展,成功解析了识别细菌鞭毛因子flg22的细胞膜受体蛋白激酶FLS2和识别真菌几丁质的受体蛋白激酶CERK1的复合晶体结构。两个团队就细胞膜受体蛋白RXEG1识别XEG1的结构生物学和激活抗性的作用机制展开了紧密合作。

该研究发现RXEG1主要通过胞外N端帽子和C端岛区形成的两个独特的loop结合XEG1。通过对RXEG1单独冷冻电镜结构和受体-配体识别(RXEG1-XEG1)晶体结构的比较,发现XEG1的结合引起了RXEG1岛区及C末端的构像发生明显的变化,这种改变诱导共受体BAK1的结合并进一步稳定RXEG1岛区和C端4个LRR基序的构象变化。受体-配体-共受体活化复合物(RXEG1-XEG1-BAK1)结构显示XEG1并不直接参与RXEG1与共受体BAK1的互作,而是通过别构效应间接促进RXEG1与BAK1的异源二聚化。体内生化和功能分析也明确了XEG1诱导RXEG1岛区构象改变进而诱导BAK1结合形成异源二聚体来激活下游免疫信号通路的分子机制。

有趣的是,该研究发现受体RXEG1的两个loop区恰好结合在XEG1的酶活性位点的口袋中。该研究通过体外酶活抑制实验及植物体内实验证明了破坏RXEG1免疫识别受体功能后,RXEG1依然能够发挥对XEG1水解酶抑制作用来抑制病原菌的侵染。这些现象表明受体RXEG1除了激活免疫反应来抑制病原菌的侵染外也通过抑制致病因子XEG1的糖基水解酶活性来直接发挥抗病功能。

RXEG1-XEG1-BAK1复合体结构

综上所述,该研究首次报道了植物细胞膜受体蛋白的结构,阐明了植物抗病受体RXEG1的“双重免疫”功能,植物细胞膜上受体RXEG1既能识别XEG1通过别构作用启动免疫信号传递,又能够直接抑制病原菌核心效应子的酶活性,抵抗病菌入侵,揭示了在植物-病原菌互作过程中,植物围绕核心致病因子XEG1启动“多重免疫”的新机制。

清华大学生命学院柴继杰教授、南京农业大学植物保护学院王源超教授、清华大学生命学院韩志富副研究员和南京农业大学植物保护学院王燕副教授为共同通讯作者。清华大学生命学院博士生孙玥、南京农业大学植物保护学院王燕副教授和清华大学已出站博后,现上海科技大学副研究员张晓骁为该论文的共同第一作者,南京农业大学植物保护学院博士后夏业强,博士生陈照丹、王磊、孙毓璟,硕士生张明媚及清华大学生命学院博士后肖裕也参与了研究工作。

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。该研究获得了国家自然科学基金、国家大豆产业技术体系项目、国家重点研发计划项目、德国洪堡教席-国际研究奖等项目的支持。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05214-x

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