Nature：突破！清华大学柴继杰/南京农大王源超组合作揭示植物免疫受体蛋白的双功能抗病机制
2022-09-26 iPlants iPlants
该研究首次报道了植物细胞膜受体蛋白的结构，阐明了植物抗病受体RXEG1的“双重免疫”功能，植物细胞膜上受体RXEG1既能识别XEG1通过别构作用启动免疫信号传递。
在与病原菌的长期斗争中，植物进化出精细、复杂的多层免疫系统保护自身免受侵害。定位于细胞膜表面的植物模式识别受体(Pattern Recognition Receptors，PRRs)作为监控病原菌侵害的“前哨”，通过识别病原菌的病原相关分子模式(Microbe- or Pathogen-Associated Molecular Patterns，MAMPs/PAMPs)，激活对多种病原菌的广谱抗性 (PRR-Triggered Immunity，PTI)。PRR主要是由受体激酶(Receptor Kinases, RKs)和受体蛋白(Receptor-Like Proteins, RLPs)组成。其中重要的一类PRR胞外配体识别结构域由富含亮氨酸重复基序(LRR)构成，因此被称为LRR型PRR，其可进一步分为LRR- RKs和LRR- RLPs。尽管目前我们对受体激酶 (LRR- RKs)的配体识别及活化的分子机制有了较为深刻的理解，但是对于参与植物抗病的另一大类LRR- RLPs的配体识别及活化分子机制一直不清楚。
图1 RXEG1受体识别致病因子XEG1激活免疫的示意图
2022年9月21日，Nature杂志在线发表了来自清华大学柴继杰教授团队和南京农业大学王源超教授团队合作题为 “Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase” 的研究论文，该研究通过解析受体RXEG1单独(apo-RXEG1)、受体-配体识别(RXEG1-XEG1)和受体-配体-共受体复合物(RXEG1-XEG1-BAK1)等多种不同状态的结构，结合生物化学和植物细胞生物学等手段进一步阐明了其发挥功能的具体机制。阐明了细胞膜受体蛋白RXEG1识别病原菌核心致病因子XEG1激活植物免疫的作用机制，首次揭示了细胞膜受体蛋白具有激活免疫活性和直接抑制致病因子XEG1酶活的双重免疫功能，对认识、合理利用和精准改造植物免疫受体，提高作物广谱抗性具有重要的指导意义。
针对病原菌核心致病因子XEG1，王源超团队开展了系统而深入的研究。2015年首次发现大豆疫霉菌在侵染大豆早期分泌的糖基水解酶XEG1通过降解细胞壁破坏植物的抗病性。XEG1是细菌、真菌和卵菌等多种病原菌中广泛存在的一类保守的糖基水解酶，可被烟草、大豆、番茄等多种植物识别诱导免疫反应。为了解析XEG1的免疫识别机制，该团队建立了高通量植物细胞膜免疫受体筛选体系，成功鉴定到植物识别XEG1的免疫受体RXEG1。RXEG1编码细胞膜富亮氨酸重复序列受体蛋白，识别XEG1后与细胞膜受体蛋白激酶BAK1互作形成复合物传导免疫信号。RXEG1能够识别不同疫霉菌和真菌分泌的XEG1家族蛋白，作为一个免疫受体调节植物对不同病原菌的广谱抗性。然而RXEG1识别XEG1发挥抗病功能的作用机制尚不清楚。柴继杰教授团队长期致力于动植物先天免疫相关蛋白质复合物的功能与结构研究，在植物模式识别受体结构和作用机制解析方面取得系列重要进展，成功解析了识别细菌鞭毛因子flg22的细胞膜受体蛋白激酶FLS2和识别真菌几丁质的受体蛋白激酶CERK1的复合晶体结构。两个团队就细胞膜受体蛋白RXEG1识别XEG1的结构生物学和激活抗性的作用机制展开了紧密合作。
该研究发现RXEG1主要通过胞外N端帽子和C端岛区形成的两个独特的loop结合XEG1。通过对RXEG1单独冷冻电镜结构和受体-配体识别(RXEG1-XEG1)晶体结构的比较，发现XEG1的结合引起了RXEG1岛区及C末端的构像发生明显的变化，这种改变诱导共受体BAK1的结合并进一步稳定RXEG1岛区和C端4个LRR基序的构象变化。受体-配体-共受体活化复合物(RXEG1-XEG1-BAK1)结构显示XEG1并不直接参与RXEG1与共受体BAK1的互作，而是通过别构效应间接促进RXEG1与BAK1的异源二聚化。体内生化和功能分析也明确了XEG1诱导RXEG1岛区构象改变进而诱导BAK1结合形成异源二聚体来激活下游免疫信号通路的分子机制。
有趣的是，该研究发现受体RXEG1的两个loop区恰好结合在XEG1的酶活性位点的口袋中。该研究通过体外酶活抑制实验及植物体内实验证明了破坏RXEG1免疫识别受体功能后，RXEG1依然能够发挥对XEG1水解酶抑制作用来抑制病原菌的侵染。这些现象表明受体RXEG1除了激活免疫反应来抑制病原菌的侵染外也通过抑制致病因子XEG1的糖基水解酶活性来直接发挥抗病功能。
图2 RXEG1-XEG1-BAK1复合体结构
综上所述，该研究首次报道了植物细胞膜受体蛋白的结构，阐明了植物抗病受体RXEG1的“双重免疫”功能，植物细胞膜上受体RXEG1既能识别XEG1通过别构作用启动免疫信号传递，又能够直接抑制病原菌核心效应子的酶活性，抵抗病菌入侵，揭示了在植物-病原菌互作过程中，植物围绕核心致病因子XEG1启动“多重免疫”的新机制。
图3 植物对病原菌核心致病因子XEG1启动的“多层次免疫”模式
清华大学生命学院柴继杰教授、南京农业大学植物保护学院王源超教授、清华大学生命学院韩志富副研究员和南京农业大学植物保护学院王燕副教授为共同通讯作者。清华大学生命学院博士生孙玥、南京农业大学植物保护学院王燕副教授和清华大学已出站博后，现上海科技大学副研究员张晓骁为该论文的共同第一作者，南京农业大学植物保护学院博士后夏业强，博士生陈照丹、王磊、孙毓璟，硕士生张明媚及清华大学生命学院博士后肖裕也参与了研究工作。
国家蛋白质科学中心（北京）、清华大学冷冻电镜平台、清华大学高性能计算平台和上海同步辐射光源为本研究提供了设备和技术支持。该研究获得了国家自然科学基金、国家大豆产业技术体系项目、国家重点研发计划项目、德国洪堡教席-国际研究奖等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05214-x
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