2月13日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心萬里研究組與張余研究組合作，在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Activation and inhibition mechanisms of a plant helper NLR的研究論文。該研究揭示了植物免疫反應中通過形成異源三聚體激活與抑制細胞死亡的分子機制。
在漫長的生命歷程中，植物為抵御病原體威脅，發(fā)展出一套復雜的免疫防御系統(tǒng)。其中，細胞表面的模式識別受體識別病原體相關分子模式并激活PTI。細胞內(nèi)的核苷酸結合富亮氨酸重復受體（NLRs）識別病原體分泌的效應因子并激活ETI。根據(jù)N端結構域的不同，NLRs可分為TNL、CNL和RNL。其中，TNL和CNL作為sensor來感知病原菌效應因子并啟動免疫信號傳導；RNL作為helper NLR，在sensor TNL的下游執(zhí)行免疫功能。RNL分為ADR1和NRG1兩類。研究發(fā)現(xiàn)，TNL信號通路激活依賴于EDS1、PAD4和SAG101三個脂肪酶樣蛋白。當效應因子激活TNL時，產(chǎn)生的小分子信號誘導EDS1-PAD4與ADR1結合，EDS1-SAG101與NRG1結合，并觸發(fā)ADR1和NRG1在質(zhì)膜上寡聚化形成抗病小體，分別激活免疫抗性和細胞死亡通路。
擬南芥中，全長的NRG1A和NRG1B作為正調(diào)控因子介導細胞死亡，且功能冗余。N-端截短的NRG1C可與EDS1-SAG101結合但負調(diào)控TNL介導的細胞死亡。EDS1-SAG101-NRG1A/B和EDS1-SAG101-NRG1C兩種三元復合體形成的分子結構基礎及調(diào)控細胞死亡的分子機制不清楚。同時，EDS1-SAG101-NRG1A/B異源三聚體與NRG1A/B寡聚體之間的關系有待深入研究。
該團隊探討了TNL被激活后EDS1-SAG101-NRG1A異源三聚體形成與NRG1A寡聚體形成之間的關系。在TNL弱激活條件下，EDS1-SAG101-NRG1A異源三聚體形成明顯，但NRG1A寡聚體形成不明顯。在TNL強激活條件下，EDS1-SAG101-NRG1A異源三聚體形成不明顯，而NRG1A寡聚體形成明顯。這提示，EDS1-SAG101-NRG1A異源三聚體與NRG1A寡聚體可能代表激活過程中的不同狀態(tài)。進一步測試發(fā)現(xiàn)，TNL被激活后，NRG1A寡聚化能力喪失的突變體L134E能夠穩(wěn)定EDS1-SAG101-NRG1A異源三聚體形成。因此，EDS1-SAG101-NRG1A三元復合體應是代表NRG1A寡聚化前的中間狀態(tài)。也就是說，TNL激活產(chǎn)生的信號小分子導致EDS1-SAG101-NRG1A三元復合體形成，但應不足以引起NRG1A寡聚化。
由于無法純化得到EDS1-SAG101-NRG1A三元復合體的蛋白，該研究聚焦于EDS1-SAG101-NRG1A L134E這樣一個更穩(wěn)定的三元復合體，并獲得了用于冷凍電鏡結構解析的高質(zhì)量蛋白。研究在EDS1-SAG101-NRG1A L134E三維結構中可觀察到TNL激活產(chǎn)生的信號小分子ADRr-ATP。ADRr-ATP結合在EDS1-SAG101中間并誘導SAG101構象變化，以促進EDS1-SAG101和NRG1A L134E互作。研究通過全長的NRG1A L134E用于結構分析，但在EDS1-SAG101-NRG1A L134E三維結構中僅能觀測到NRG1A L134E C端的WHD-LRR部分。這表明，NRG1A L134E的N端部分柔性較大且不參與互作。進一步，研究在野生型NRG1A的背景下驗證了在EDS1-SAG101-NRG1A L134E三維結構中觀察的互作界面對TNL激活后的細胞死亡表型以及NRG1A寡聚化的重要性。
NRG1C僅含有WHD-LRR結構域，恰是在EDS1-SAG101-NRG1A L134E結構中觀察到的NRG1A參與互作的部分。這提示，擬南芥進化出NRG1C這樣一個片段來進行負調(diào)控。研究通過對EDS1-SAG101-NRG1C冷凍電鏡結構的分析發(fā)現(xiàn)，其與EDS1-SAG101-NRG1A L134E的結合方式高度相似，但NRG1C與EDS1-SAG101之間存在一些額外的相互作用使得NRG1C對EDS1-SAG101的親和力更強，從而劫持EDS1-SAG101并抑制NRG1A激活的細胞死亡。研究發(fā)現(xiàn)，NRG1C因缺失N端的CCR而體現(xiàn)出核質(zhì)分布，這樣NRG1C便與EDS1-SAG101亞細胞定位完全一致從而實現(xiàn)更高效的劫持和負調(diào)控。
EDS1-SAG101-NRG1是所有雙子葉植物中保守存在的調(diào)控TNL介導細胞死亡的核心元件。上述研究報道了EDS1-SAG101-NRG1的三維結構，解析了其激活和抑制細胞死亡的多層精細調(diào)控的分子機理，提升了科學家對這一免疫通路的認知。同時，研究發(fā)現(xiàn)了NRG1與EDS1-SAG101的相互作用界面存在保守和非保守區(qū)域，有望為解釋不同植物物種中相關蛋白的不兼容性提供理論依據(jù)，并為植物抗病設計育種提供新思路。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。
EDS1-SAG101-NRG1三元復合體精細調(diào)控細胞死亡的模型
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