以“不变”应万变：植物免疫受体NLR的结构组成

作为植物特异性免疫系统的受体，NLR （Nucleotide-binding domain and Leucine-rich Repeat） 蛋白具有识别病原生物的重要作用。NLR通过直接或者间接的方式识别病原菌分泌的效应因子 （effector） ，激活植物的第二层免疫系统，抵御病原菌的侵染。现在的研究结果显示，虽然要应对成千上万种病原生物，植物NLR蛋白的结构却大同小异。颇有种“敌军围困万千重，我自岿然不动”的豪情与霸气。今天，我们就一起看一下面对病原菌“千军万马”的围追堵截，NLR到底是如何以“不变”应万变的。

和我们写论文的“三段论”相似，经典的NLR结构也包括三个部分：一个可变N端结构域，一个中间的NB-ARC （Nucleotide-Binding adaptor shared by Apaf1, certain R genes and CED4） 结构域，以及一个C端的LRR （leucine-rich-repeat） 结构域。

NLR蛋白的结构组成和分类 【13】

NLR的N端结构域虽然可变，但根据它们的蛋白序列和已知蛋白的相似性，一般也只被分为两类：TIR （Toll-interleukin-1 receptor） 和CC （coiled-coil） 。根据N端结构域的不同，NLR被分为两大类：N端为TIR结构域的被称为TNL，N端为CC结构域的被称为CNL 【1】 。有意思的是，双子叶和单子叶植物基因组中都编码CNL，而单子叶植物中却没有TNL 【2】 。至于这其中又蕴藏着怎样的奥秘，我们会专门介绍。

一些研究表明，将NLR的N端结构域删除，便不能诱发植物免疫；而单独表达一些NLR的N端结构域，就足以引起HR反应。因此，人们认为NLR的N端结构域具有激发以及向下游传递免疫信号的作用 【3】 。另外，TIR和CC结构域都可发生寡聚化，被认为在NLR的激活过程中发挥重要作用。事实上，当识别effector后，整个NLR蛋白都可发生寡聚化，比如拟南芥中的RPP1 【4】 ，以及烟草的N蛋白 【5】 。N端的TIR和CC结构域可能在NLR的寡聚化及激活过程中发挥重要作用。

NB-ARC是一个比较大的结构域，又可被分为3个亚结构域：NB，ARC1和ARC2。NB意为核苷酸结合 （Nucleotide Binding） ，ARC是由于该结构域出现在Apaf-1，R蛋白， 和 CED-4中而得名。NB-ARC结构域具有结合核苷酸 （ATP/ADP） ，交换或水解核苷酸的活性。NB-ARC蛋白组成了STAND超家族 （signal transduction ATPases with numerous domains）下 的一个亚家族，该家族成员一般行使分子开关的功能，参与到免疫系统、细胞凋亡以及转录调控等多种生命过程 【6】 。

NB-ARC结构域和不同的核苷酸 （ADP/ATP） 结合会使NLR蛋白处于不同的状态。一般认为，和ADP结合的NLR蛋白处于关闭或失活状态，而和ATP的结合会促进NLR蛋白的构象发生改变，转变成开放或激活状态。NLR激活后会向下游传递信号，启动植物的免疫系统。而NLR对effector的识别 （直接或间接） 会促进NB-ARC释放ADP结合ATP。这就是NLR在植物免疫过程中的“分子开关”模型 【7】 。NB-ARC结构域和不同核苷酸结合的特性是这种“分子开关”模型的结构基础。另外，还有一些研究表明，NB-ARC结构域还具有另外的信号转导功能。例如，将马铃薯NLR蛋白Rx的NB结构域单独在烟草叶片中瞬时表达，就足以引起HR反应，说明Rx的NB结构域具有激活下游免疫信号的功能 【8】 。

NLR蛋白的“分子开关”模型 【14】

LRR是由于该结构域中具有多个串联的富含亮氨酸的重复序列而得名。LRR结构域通过分子内或分子间互作，调节NLR的活性。一些研究表明，LRR结构域对NLR的活性起负调控的作用。将拟南芥NLR蛋白RPS2，RPS5以及RPP1A的LRR结构域删除会激活免疫反应。类似地，将马铃薯的R蛋白Rx中的LRR截去会增强HR反应。进一步研究发现，Rx的LRR可能通过和NB-ARC互作，抑制Rx的活性 【9】 。但是，另外一些研究却表明，LRR还可以正调节NLR的活性。马铃薯Rx的自激活突变会导致在没有病原菌的情况下出现HR反应，而将其LRR删除后HR反应被抑制 【10】 。另外，Rx对马铃薯病毒X外壳蛋白的响应依赖于其LRR 【11】 。在拟南芥中，R蛋白RPS5 LRR结构域中一个氨基酸的变异就可引起该蛋白的功能缺失。这些结果都表明，LRR是NLR激活免疫反应所必需的。除此之外，许多研究还表明，LRR结构域还会影响NLR蛋白对病原菌识别的特异性 【12】 。因此，在NLR调节植物免疫的过程中，LRR结构域具有多种作用。

NLR蛋白的“三段式结构”看似千篇一律，但它们之间却能完美配合，形成一个精妙的“分子开关”， 使植物能够识别病原生物的侵染，并做出合适的免疫反应。NLR的 “分子开关”模型构成了植物特异性免疫系统的基础。但是，面对成千上万种病原生物的侵染，NLR也并不是一成不变。其实，NLR也有“孙悟空七十二变”般的本领，以应对千变万化的病原菌。正所谓“什么魔法狠毒，自有招数神奇。八十一难拦路，七十二变制敌”。

NLR蛋白到底有哪些千变万化的本领呢？请继续关注我们的推送。

参考文献：

【1】 Maekawa, T., Kufer, T. A., & Schulze-Lefert, P. (2011). NLR functions in plant and animal immune systems: so far and yet so close. Nature immunology, 12(9), 817.

【2】 Jacob, F., Vernaldi, S., & Maekawa, T. (2013). Evolution and conservation of plant NLR functions. Frontiers in immunology, 4, 297.

【3】 Collier, S. M., Hamel, L. P., & Moffett, P. (2011). Cell death mediated by the N-terminal domains of a unique and highly conserved class of NB-LRR protein. Molecular plant-microbe interactions, 24(8), 918-931.

【4】 Schreiber, K. J., Bentham, A., Williams, S. J., Kobe, B., & Staskawicz, B. J. (2016). Multiple domain associations within the Arabidopsis immune receptor RPP1 regulate the activation of programmed cell death. PLoS pathogens, 12(7).

【5】 Mestre, P., & Baulcombe, D. C. (2006). Elicitor-mediated oligomerization of the tobacco N disease resistance protein. The Plant Cell, 18(2), 491-501.

【6】 Danot, O., Marquenet, E., Vidal-Ingigliardi, D., & Richet, E. (2009). Wheel of life, wheel of death: a mechanistic insight into signaling by STAND proteins. Structure, 17(2), 172-182.

【7】 Bonardi, V., Cherkis, K., Nishimura, M. T., & Dangl, J. L. (2012). A new eye on NLR proteins: focused on clarity or diffused by complexity?. Current opinion in immunology, 24(1), 41-50.

【8】 Rairdan, G. J., Collier, S. M., Sacco, M. A., Baldwin, T. T., Boettrich, T., & Moffett, P. (2008). The coiled-coil and nucleotide binding domains of the potato Rx disease resistance protein function in pathogen recognition and signaling. The Plant Cell, 20(3), 739-751.

【9】 Lukasik, E., & Takken, F. L. (2009). STANDing strong, resistance proteins instigators of plant defence. Current opinion in plant biology, 12(4), 427-436.

【10】 Moffett, P., Farnham, G., Peart, J., & Baulcombe, D. C. (2002). Interaction between domains of a plant NBS–LRR protein in disease resistance‐related cell death. The EMBO journal, 21(17), 4511-4519.

【11】Rairdan, G. J., & Moffett, P. (2006). Distinct domains in the ARC region of the potato resistance protein Rx mediate LRR binding and inhibition of activation. The Plant Cell, 18(8), 2082-2093.

【12】Rairdan, G., & Moffett, P. (2007). Brothers in arms? Common and contrasting themes in pathogen perception by plant NB-LRR and animal NACHT-LRR proteins. Microbes and infection, 9(5), 677-686.

【13】 Chiang, Y. H., & Coaker, G. (2015). Effector triggered immunity: NLR immune perception and downstream defense responses. The Arabidopsis Book, 2015(13).

【14】Takken, F. L. W., & Tameling, W. I. L. (2009). To nibble at plant resistance proteins. Science, 324(5928), 744-746.