清華新聞網(wǎng)9月22日電 在與病原菌的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)中，植物進(jìn)化出精細(xì)、復(fù)雜的多層免疫系統(tǒng)保護(hù)自身免受侵害。定位于細(xì)胞膜表面的植物模式識(shí)別受體（Pattern Recognition Receptors，PRRs）作為監(jiān)控病原菌侵害的“前哨”，通過(guò)識(shí)別病原菌的病原相關(guān)分子模式（Microbe- or Pathogen-Associated Molecular Patterns，MAMPs/PAMPs），激活對(duì)多種病原菌的廣譜抗性（PRR-Triggered Immunity，PTI）。PRR主要是由受體激酶（Receptor Kinases,RKs）和受體蛋白（Receptor-Like Proteins,RLPs）組成。其中重要的一類(lèi)PRR胞外配體識(shí)別結(jié)構(gòu)域由富含亮氨酸重復(fù)基序（LRR）構(gòu)成，因此被稱(chēng)為L(zhǎng)RR型PRR，其可進(jìn)一步分為L(zhǎng)RR-RKs和LRR-RLPs。盡管目前我們對(duì)受體激酶（LRR-RKs）的配體識(shí)別及活化的分子機(jī)制有了較為深刻的理解，但是對(duì)于參與植物抗病的另一大類(lèi)LRR-RLPs的配體識(shí)別及活化分子機(jī)制一直不清楚。
9月21日，清華大學(xué)柴繼杰教授團(tuán)隊(duì)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王源超教授團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）期刊上發(fā)表了題為“免疫受體蛋白R(shí)XEG1識(shí)別病原菌糖苷水解酶激活植物免疫的機(jī)制研究”（Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase）的研究論文，通過(guò)解析受體RXEG1單獨(dú)（apo-RXEG1）、受體-配體識(shí)別（RXEG1-XEG1）和受體-配體-共受體復(fù)合物（RXEG1-XEG1-BAK1）等多種不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合生物化學(xué)和植物細(xì)胞生物學(xué)等手段進(jìn)一步闡明了其發(fā)揮功能的具體機(jī)制。闡明了細(xì)胞膜受體蛋白R(shí)XEG1識(shí)別病原菌核心致病因子X(jué)EG1激活植物免疫的作用機(jī)制，首次揭示了細(xì)胞膜受體蛋白具有激活免疫活性和直接抑制致病因子X(jué)EG1酶活的雙重免疫功能，對(duì)認(rèn)識(shí)、合理利用和精準(zhǔn)改造植物免疫受體，提高作物廣譜抗性具有重要的指導(dǎo)意義。
圖1. RXEG1受體識(shí)別致病因子X(jué)EG1激活免疫的示意圖
研究發(fā)現(xiàn)RXEG1主要通過(guò)胞外N端帽子和C端島區(qū)形成的兩個(gè)獨(dú)特的loop結(jié)合XEG1。通過(guò)對(duì)RXEG1單獨(dú)冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和受體-配體識(shí)別（RXEG1-XEG1）晶體結(jié)構(gòu)的比較，發(fā)現(xiàn)XEG1的結(jié)合引起了RXEG1島區(qū)及C末端的構(gòu)像發(fā)生明顯的變化，這種改變誘導(dǎo)共受體BAK1的結(jié)合并進(jìn)一步穩(wěn)定RXEG1島區(qū)和C端4個(gè)LRR基序的構(gòu)象變化。受體-配體-共受體活化復(fù)合物（RXEG1-XEG1-BAK1）結(jié)構(gòu)顯示XEG1并不直接參與RXEG1與共受體BAK1的互作，而是通過(guò)別構(gòu)效應(yīng)間接促進(jìn)RXEG1與BAK1的異源二聚化。體內(nèi)生化和功能分析也明確了XEG1誘導(dǎo)RXEG1島區(qū)構(gòu)象改變進(jìn)而誘導(dǎo)BAK1結(jié)合形成異源二聚體來(lái)激活下游免疫信號(hào)通路的分子機(jī)制。
圖2. RXEG1-XEG1-BAK1復(fù)合體結(jié)構(gòu)
有趣的是，該研究發(fā)現(xiàn)受體RXEG1的兩個(gè)loop區(qū)恰好結(jié)合在XEG1的酶活性位點(diǎn)的口袋中。王源超教授實(shí)驗(yàn)室先前研究已經(jīng)揭示XEG1的酶活性對(duì)于病原菌的致病性是必需的。該研究通過(guò)體外酶活抑制實(shí)驗(yàn)及植物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了破壞RXEG1免疫識(shí)別受體功能后，RXEG1依然能夠發(fā)揮對(duì)XEG1水解酶抑制作用來(lái)抑制病原菌的侵染。這些現(xiàn)象表明受體RXEG1通過(guò)抑制致病因子X(jué)EG1的糖基水解酶活性來(lái)直接發(fā)揮抗病功能。
綜上所述，該研究首次揭示了植物免疫受體蛋白的配體識(shí)別及激活的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了植物受體蛋白在免疫過(guò)程中的雙重功能。為理解植物受體蛋白家族的功能及結(jié)構(gòu)研究提供了范式。
清華大學(xué)生命學(xué)院柴繼杰教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院王源超教授、清華大學(xué)生命學(xué)院韓志富副研究員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院王燕副教授為共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2018級(jí)博士生孫玥、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院王燕副教授，清華大學(xué)已出站博后、現(xiàn)上?？萍即髮W(xué)副研究員張曉驍為該論文的共同第一作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士后夏業(yè)強(qiáng)，博士生陳照丹、王磊、孫毓璟，碩士生張明媚及清華大學(xué)生命學(xué)院博士后肖裕也參與了研究工作。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士、李曉敏博士和楊帆博士對(duì)冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助。清華大學(xué)生命學(xué)院高精尖創(chuàng)新中心X-ray主管范仕龍博士對(duì)晶體數(shù)據(jù)收集進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）、清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)和上海同步輻射光源為本研究提供了設(shè)備和技術(shù)支持。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、德國(guó)洪堡教席-國(guó)際研究獎(jiǎng)等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05214-x
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
