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植保所刘凤权团队在国际著名学术期刊《Trends in Plant Science》上发表焦点文章
作者:常明

1021日,江苏省农业科学院植物保护研究所刘凤权团队与美国南卡罗来纳大学Zheng Qing Fu(傅正擎)实验室应邀在国际著名学术期刊Trends in Plant ScienceIF 14.006)在线发表了题为NAD+ Cleavage: TIR Domain-Containing Resistance Proteins in Action的焦点文章。文章对近期有关植物抗病蛋白TIR结构域的NAD+切割活性及其激活抗病蛋白信号通路的分子机制进行了综述,并对相关领域未来研究工作提出了展望和设想。

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植物在长期的进化过程中产生了一套抵抗病原物侵染的、复杂的先天免疫系统。为了突破植物的免疫系统,病原物分泌效应子进入植物细胞,自身或其活性可以直接或间接的被抗病蛋白检测到,从而产生效应子触发的免疫反应(effector-triggered immunityETI)。ETI常伴随快速的局部细胞死亡,即过敏反应(hypersensitive responseHR)。植物的抗病蛋白多数属于含有核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列(nucleotide-binding leucine-rich repeatNB-LRR)的蛋白,并且在其氨基端具有一个白细胞介素-1受体(Toll/interleukin-1 receptorTIR)结构域或卷曲螺旋(coiled-coilCC)结构域。然而,从1994年第一个NB-LRR抗病蛋白报道至今,人们对于抗病蛋白的具体生化活性仍然缺乏了解。

该文总结了植物TIR-NB-LRR类抗病蛋白TIR结构域的生化活性,即一些抗病蛋白的TIR结构域具有NAD+切割活性,该活性可以被病原物的效应子所诱导,进而激活抗病蛋白介导的细胞死亡。此前的研究发现哺乳动物和细菌的SARM1sterile alpha and Toll/interleukin-1 receptor motif-containing 1)的TIR结构域具有NAD酶活性,可以切割NAD+并产生ADP核糖(ADP-riboseADPR)、环化ADP核糖(cyclic ADP-ribosecADPR)及烟酰胺(nicotinamideNAM)。那么,植物TIR-NB-LRR类抗病蛋白的TIR结构域是否也具有类似的生化活性呢?最新的研究发现植物TIR-NB-LRR类型抗病蛋白的TIR结构域以及仅具有TIR结构域而不具有NB-LRR结构域的植物免疫受体蛋白在高浓度条件下都可以切割NAD+,并且位于关键酶活位点的谷氨酸(glutamic acidE)突变后导致NAD+切割活性的消失。值得注意的是,植物的NAD+切割产物存在一个特殊的环化ADP核糖变体(variant of cyclic ADP-ribosev-cADPR),该分子可以作为植物TIR结构域的特异性生物标记。此外,植物与人类的TIR蛋白在信号转导途径方面也存在一定的差异性。如植物抗病蛋白RUN1激活的细胞死亡依赖于下游的信号转导蛋白EDS1;另一个主要区别是植物的TIR蛋白在植物体内并没有导致NAD+的耗尽,这与体外实验中植物TIR蛋白表现出的弱活性是一致的。

抗病蛋白在植物免疫系统中扮演着核心角色,因此关于其生化活性及其介导的信号转导途径一直是植物免疫领域的研究重点。为此,该文进一步对该领域未来研究工作提出了展望和设想。首先,具有CC结构域的抗病蛋白是否也与TIR结构域具有类似的生化活性或者具有另外一种功能?其次,抗病蛋白介导的免疫信号转导仍然存在许多“未知区域”。比如,病原物分泌的效应子被寄主细胞识别后如何诱导了TIR结构域的自我聚集?是效应子直接与抗病蛋白发生了相互作用或者存在其他的中间信号传递分子?这个诱导过程又是如何参与了抗病蛋白的构象改变与激活过程?此外,NAD+NADP+的切割产物又是如何把免疫信号传递给下游的信号分子,比如EDS1,并最终诱导细胞死亡限制病原菌生长的? EDS1作为一个关键的信号转导蛋白,可以与TIR-NB-LRR类型的抗病蛋白发生相互作用,那么TIR蛋白的NAD+切割活性是否与上述的蛋白相互作用存在相关性?而目前对EDS1下游的其他免疫信号转导蛋白,(如辅助性抗病蛋白NRG1)的认识也仍然相对有限。因此,有关抗病蛋白的完整工作机制仍需要大量研究。

联合培养博士后常明为论文第一作者,刘凤权与Zheng Qing Fu为论文共同通讯作者。江苏省农业科学院植物保护研究所为第一署名单位。

 文章链接:https://doi.org/10.1016/j.tplants.2019.10.005

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