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清華大學(xué)柴繼杰課題組與合作者*揭示植物TNL類抗病蛋白激活的分子機制
植物先天免疫是植物在與病原微生物長期共同進化的過程中逐漸形成的免疫對抗機制，用來抵抗病原微生物的侵害。其中一類重要組成部分是效應(yīng)蛋白引起的先天免疫（Effector-Triggered Immunity, ETI）。NLR（Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing receptor）是調(diào)節(jié)ETI的一類主要受體蛋白。根據(jù)其N端結(jié)構(gòu)域，NLR主要分為兩類：CNL (CC-NB-LRR) 和TNL (TIR-NB-LRR)【1】。這兩類受體蛋白都可以直接或者間接地識別病原菌效應(yīng)蛋白進而引起ETI【2】。柴繼杰實驗室去年的研究成果表明，擬南芥的CNL抗病蛋白ZAR1，識別效應(yīng)蛋白后可以形成抗病小體 ZAR1抗病小體可能作為離子通道或者轉(zhuǎn)運通道引起ETI【3,4】，相比CNL，TNL的作用機制更為復(fù)雜。TNL的N端TIR結(jié)構(gòu)域具有NAD＋水解酶活性（NADase）。該活性被認(rèn)為用以產(chǎn)生第二信使信號，激活下游的EDS1、NRG1等免疫通路【5-7】。目前還有很多TNL信號傳導(dǎo)相關(guān)問題有待回答。例如TNL如何識別效應(yīng)蛋白？TNL是否可以形成抗病小體？識別效應(yīng)蛋白對TIR的NAD＋水解活性是否有調(diào)節(jié)作用？
之前的研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥的RPP1是TNL類抗病蛋白的典型代表，主要由N端TIR結(jié)構(gòu)域、中間NOD (Nucleotide binding oligomerization domain) 結(jié)構(gòu)域以及C端亮氨酸重復(fù) (Leucine rich repeat, LRR) 結(jié)構(gòu)域組成。植物葉片在被植物病原菌Hyaloperonospora arabidopsis侵染過程中會分泌一類效應(yīng)蛋白ATR1，RPP1通過識別ATR1繼而引起ETI【8】。
2020年12月4日，清華大學(xué)生命學(xué)院柴繼杰課題組和德國馬克斯-普朗克植物育種研究所Jane Parker課題組、Paul Schulze-Lefert課題組合作在Science 發(fā)表了題為Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme 的研究論文，*揭示了植物TNL類抗病蛋白RPP1直接識別其效應(yīng)蛋白ATR1后激活并形成全酶的分子機制。此外，Science同期還配發(fā)了題為Enzyme formation by immune receptors的評論文章。
該研究利用桿狀病毒表達系統(tǒng)在昆蟲（Spodoptera frugiperda）細(xì)胞里重組共表達了TNL類抗病蛋白RPP1與其效應(yīng)蛋白ATR1，通過串聯(lián)純化的方法得到了高純度的激活狀態(tài)RPP1-ATR1復(fù)合物，命名為RPP1抗病小體（RPP1 resistosome）。通過冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)技術(shù)，成功解析了RPP1結(jié)合ATR1形成四聚體激活狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為3.16 Å（圖1），并結(jié)合遺傳學(xué)和生物化學(xué)的手段進一步闡釋了它發(fā)揮功能的具體機制。
新結(jié)構(gòu)域C-JID電鏡結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)
電鏡結(jié)構(gòu)顯示RPP1的LRR結(jié)構(gòu)域直接參與ATR1的結(jié)合。除此之外，結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)RPP1的C末端有一個新的結(jié)構(gòu)域C-JID（C-terminal jell roll and Ig-like domain）也直接參與ATR1的直接識別。進一步分析表明，C-JID幾乎存在于所有的TNL中，暗示該結(jié)構(gòu)域可能對TNL識別配體具有廣譜作用。RPP1識別ATR1引起自身構(gòu)象變化，從而解除分子內(nèi)自抑制，形成四聚體的激活狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)為NLR直接識別效應(yīng)蛋白的假說提供了有力證據(jù)。
RPP1抗病小體以全酶狀態(tài)催化NAD＋水解機制的發(fā)現(xiàn)
生化分析表明RPP1抗病小體的形成可以促進NAD＋水解活性，并且二價金屬離子如鎂離子以及鈣離子可以進一步促進該活性。結(jié)構(gòu)分析顯示了RPP1抗病小體作為一個全酶催化NAD＋水解的機制。有別于其它C4對稱性的結(jié)構(gòu)域，抗病小體中的4個TIR結(jié)構(gòu)域采用C2對稱性，即兩個TIR結(jié)構(gòu)域通過類平移對稱形成頭對尾的二聚體，在此基礎(chǔ)上兩個二聚體再通過C2對稱形成四聚體。多方面證據(jù)支持RPP1抗病小體中的兩個頭對尾的二聚TIR作為完整的NADase催化NAD＋水解。首先，一個ATP分子結(jié)合在一個頭對尾的二聚TIR中；其次，結(jié)構(gòu)比較顯示該ATP分子與TIR的另外一種底物NADP+具有相似的結(jié)合位點；后，BB-loop對于形成頭對尾的TIR二聚體具有重要作用，而突變該loop上的關(guān)鍵氨基酸降低RPP1抗病小體的NAD＋水解活性以及ATR1誘導(dǎo)的ETI活性。
RPP1抗病小體結(jié)合ADP，而非ATP/dATP
關(guān)于NLR受體活化，目前一個普遍被接受的觀點是配體結(jié)合后促進ATP/dATP交換抑制態(tài)中的ADP分子（結(jié)合于NOD結(jié)構(gòu)域），從而引起NLR的寡聚化。然而令人吃驚的是，RPP1抗病小體的NOD結(jié)構(gòu)域結(jié)合的是ADP，而非ZAR1抗病小體中的ATP/dATP。蛋白質(zhì)序列分析表明，ZAR1利用CNL高度保守 “TTR” 基序中的R（精氨酸）與ATP/dATP的γ-磷酸基團結(jié)合，從而穩(wěn)定其激活構(gòu)象。生化以及遺傳數(shù)據(jù)表明該精氨酸對ZAR1抗病小體功能具有關(guān)鍵作用。但是該基序中R在RPP1發(fā)生了突變，從而使其失去ATP結(jié)合活性。但是這一現(xiàn)象的生物學(xué)意義目前尚不清楚，值得將來進一步研究。
綜上所述，該研究*報道了植物TNL類抗病蛋白RPP1直接識別并結(jié)合效應(yīng)蛋白ATR1、形成抗病小體并作為全酶促進NAD+水解的分子機制。這些結(jié)果促進了TNL下游免疫通路信號傳遞機制的研究，為理解植物TNL類抗病蛋白活化機制提供了范式。
柴繼杰課題組一直致力于NLR家族受體的作用機制。繼此前揭示了CNL類受體ZAR1的自抑制與活化機制后，此次又*報道了TNL受體RPP1配體識別以及活化的分子機制。作為植物兩大類NLR受體CNL和TNL的代表，ZAR1與RPP1的研究成果是植物抗病蛋白研究領(lǐng)域數(shù)十年來一直期待的重大突破。
清華大學(xué)生命學(xué)院13級博士研究生馬守偲、德國馬克斯-普朗克植物育種研究所博士后Dmitry Lapin、劉莉，清華大學(xué)生命學(xué)院18級博士研究生孫玥和德國科隆大學(xué)博士后宋文為本文的共同作者。清華大學(xué)生命學(xué)院柴繼杰教授、德國馬克斯-普朗克植物育種研究所的Jane Parker教授和Paul Schulze-Lefert教授為本文共同通訊作者。北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心已出站博士后張曉驍，德國馬克斯-普朗克植物育種研究所的Elke Logemann、于東立，德國科隆大學(xué)的Jan Jirschitzka，清華大學(xué)生命學(xué)院助理研究員王家、副研究員韓志富也參與了本項研究。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、德國洪堡基金會和德國科學(xué)基金會的經(jīng)費支持。