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科學家發現植物“抗病小體”

文章來源:遺傳與發育生物學研究所   發布時間:2019-04-05  【字號:     】  

  植物具有復雜、精細調控的免疫系統,用于識別病原微生物、激活防衛反應,從而保護自己免受侵害。植物細胞內數目眾多的抗病蛋白,是監控病蟲侵害的哨兵,也是動員植物防衛系統的指揮官。抗病蛋白被發現至今已有二十多年,但人們仍然不清楚它們的工作原理。清華大學柴繼杰團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊和清華大學王宏偉團隊最近的聯合研究,在植物免疫研究領域取得重大突破。合作團隊發現由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其電鏡結構,從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制,為更好利用抗病蛋白提供了新的可能。相關成果以兩篇長文(Research Article)形式,于45日發表在國際學術期刊《科學》(Science,Wang et al., 2019a, b)Science雜志同期發表了國際植物抗病研究權威科學家Jeffery DanglJonathan Jones撰寫的題為High five: a pentangular plant inflammasome 的專文評述,高度評價這一成果。

  抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在于缺乏蛋白質結構。這正是柴繼杰團隊2004年以來的主攻方向。抗病蛋白構成復雜、分子量大、構象多變,對解析其結構帶來了極大困難。自從25年前國際上首次鑒定到抗病蛋白以來,多個國際頂尖實驗室均未能純化出可供結構分析的全長抗病蛋白質。柴繼杰團隊近年在動物炎癥小體結構研究中取得了突破 (Hu et al., 2015; Yang et al., 2017)。由于炎癥小體的蛋白質與植物抗病蛋白具有諸多相似性,這些研究為解析植物抗病蛋白結構積累了寶貴經驗。

  周儉民團隊和柴繼杰團隊通過合作,早在2007-2008年提出了植物與病原細菌間攻防的“誘餌模型”并提供了初步證據(Xing et al., 2007, Xiang et al., 2008; Zhou and Chai, 2008)。周儉民團隊通過對病原菌免疫逃逸分子機制和植物免疫系統關鍵組分的解析,發現了多個支持“誘餌模型”的分子證據 (Zhang et al., 2010; Feng et al., 2012; Wang et al., 2015) 并在2012年和2015年的兩項工作中,發現了病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。病原細菌的一個致病蛋白AvrAC精準破壞植物免疫系統中的關鍵組分,幫助細菌侵染植物寄主;而植物則利用特殊的“誘餌”蛋白,感知AvrAC的活動并將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1,迅速激活免疫反應,清除細菌。兩個團隊多年的合作、經過長期積累形成的理論和實驗體系,為后期進一步合作奠定了堅實基礎。王宏偉團隊長期致力于冷凍電鏡方法學的研究、提高和改善,對蛋白質的高分辨率冷凍電鏡重構一直是該團隊的研究焦點和特長,這為解析抗病蛋白結構解析提供了強有力的技術支撐。

  在上述研究的基礎上,三個團隊進一步合作,以AvrACZAR1為體系研究植物抗病蛋白結構。經過多年協作攻關,成功地組裝了包含激活ZAR1的復合物 (抗病小體,resistosome)。結構研究發現,ZAR1AvrAC激活后,組裝成含三個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器,形成抗病小體 (1)。通過對靜息態復合物的結構和功能解析,闡明了抗病蛋白由靜息狀態,經過中間狀態,最終形成抗病小體的生化過程。合作團隊緊密結合結構、生化和功能研究,揭示了抗病小體工作機制。比如,抗病小體形成后直接在細胞質膜上發出自殺指令,很可能是植物細胞死亡和免疫執行者。該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白,為研究其它抗病蛋白提供了范本。研究還發現,植物抗病小體的組裝方式、結構與功能,與動物免疫中的炎癥小體驚人地相似,展現了在不同生命形式中,進化對免疫形成的力量。

  Science雜志同期專文評述中,國際植物抗病研究權威科學家Jeffery DanglJonathan Jones對這一成果給予高度評價:“首個抗病小體的發現,為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索”。《植物學報》同時發表國際著名植物抗病專家Xin Li(李昕)等人題為《開啟防御之門:植物抗病小體》的專文評述,認為該項成果完成了植物NLR蛋白復合物的組裝、結構和功能分析,揭示了NLR作用的關鍵分子機制,是植物免疫研究的里程碑事件

  各種農作物病蟲害,嚴重威脅農業生產。為了減少損失,農業生產中不得不大量施用化學農藥,但這又對環境、人類健康和農業可持續發展帶來了挑戰。在保護作物的同時,減少化學農藥的施用,成為擺在農業生產者和科學家面前的一道難題。解決這一問題的關鍵,就存在于植物細胞中植物細胞內數目眾多的抗病蛋白。這些蛋白發現病菌后,迅速啟動植物防衛反應,殺死病菌,從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白,發展新的病蟲害防控手段,將大大減少化學農藥的施用。抗病蛋白高分辨度結構和作用機制的解析,將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白,發展綠色農業奠定核心理論基礎

  清華大學博士后、遺傳發育所植物基因組學國家重點實驗室訪問研究人員王繼縱、清華大學博士后王家與遺傳發育所植物基因組學國家重點實驗室博士生胡梅娟為其中一篇論文的共同第一作者(Wang et al., 2019a);王繼縱、胡梅娟和王家為另一篇論文的共同第一作者(Wang et al., 2019b)。柴繼杰、周儉民與王宏偉為兩篇論文的共同通訊作者。該項研究得到中科院B類先導專項作物病蟲害的導向性防控-生物間信息流與行為操縱和國家自然基金創新群體項目“植物響應生物脅迫的機理”等的支持。

  論文信息:

  Wang J#, Wang J#, Hu M#, Qi J, Wu S, Wang G, Han Z, Qi Y, Gao N, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J* (2019a). Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science, vol: pages

  Wang J#, Hu M#, Wang J#, Qi J, Han Z, Wang G, Qi Y, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J* (2019b). Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science, vol: pages

 

五聚抗病小體結構。分別顯示頂部()和側面()視圖。




(責任編輯:葉瑞優)

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