PNAS | 在植物中重构哺乳动物炎症小体，揭示植物TIR-NLR的作用机制

撰文 | 王姗姗

责编 | 逸云

近日，英国The Sainsbury Laboratory研究所Jonathan Jones研究组在PNAS发表了题为Induced proximity of a TIR signaling domain on a plant-mammalian NLR chimera activates defense in plants的研究论文，该研究 利用动植物NLR嵌合体激活植物免疫反应， 揭示了植物TIR-NLR的作用机制。PNAS同时刊发了科罗拉多州立大学Bayless 和Nishimura 题为Reinventing the wheel with a synthetic plant inflammasome的评论文章 【1】 ，比较了动物和植物NLR相似的结构和在免疫反应中可能相似的作用机制 （图1） 。

植物NLR结构和分子机制

植物NLR （Nucleotide-binding, leucine-rich repeat） 是一类细胞内受体，参与效应因子诱导的细胞免疫反应 （Effector triggered immunity， ETI） 。在动物以及真菌中也存在功能和结构类似的NLR。NLR 具有非常典型的结构域，N端的信号传导结构域，核苷酸域 （Nucleotide-binding domain） 以及亮氨酸富集的重复序列。植物NLR 的N端可以大致分为CC （Coiled-Coil ） 结构域以及TIR （Toll-like, Interleukin-1 receptor, Resistance protein） 结构域。

图1：动物和植物NLR形成多聚复合物激活免疫反应。

2019年两篇Science论文首次揭示了植物CC-NLR，ZAR1全长的结构。研究表明效应因子AvrAC进入细胞后尿苷酰化激酶PBL2，被修饰的PBL2可以与ZAR1-RKS1复合体结合并且诱导ZAR1-RKS1的多聚化，形成闭合环状结构的植物抗病小体 （resistosome） ，其N端的CC发生构象上的改变或通过在细胞膜穿孔的形式诱导细胞死亡 【2,3】 。

这一里程碑式的发现极大扩展了我们对植物NLR抗病的分子机制的了解：与动物NLR 类似，激活状态的NLR形成多聚复合物，诱导N端信号传导结构域在空间上的接近从而激活下游的信号通路。而植物TIR-NLR是否具有相似的作用机制还有待探讨。

图2：Blue native-PAGE结果表明TIRRPS4-NLRC4与NAIP5，NAIP2可以分别识别FlaA或PrgJ并形成多聚复合体.

该研究在植物中重构了哺乳动物的NLRC4/NAIPs/Ligands炎症小体， NAIP可以识别对应的配体，并且诱导NLRC4的多聚化，如图2所示。当在NLRC4的N端分别连上植物TIR结构域后 （TIR RPS4 ，TIR L6 ，TIR SNC1 ，TIR N 以及TIR M 等） ，NLRC的多聚诱导N端TIR在空间上的接近从而激活下游免疫信号通路并且诱导细胞死亡 （图3） 。这表明了多聚化可能是植物TIR-NLR激活免疫的普适性规律。同时也表明了哺乳动物NLRC4/NAIPs/Ligand不需要其它哺乳动物蛋白的协助在植物中即能形成炎症小体。

图3：TIRRPS4-NLRC4/NAIPs可以识别对应的配体，并且诱导细胞死亡反应。

TIR的NAD+的水解酶活性

2017年，Essuman等人发现哺乳动物的SARM1的TIR 结构域可以将NAD + 水解为烟酰胺 (Nicotinamide) ，ADP核糖 （ADP-ribose） 和环ADP核糖 （Cyclic ADP-ribose） 【4】 。而SARM1的 NAD + 的水解酶活性能导致神经元损伤后神经轴突退化。2019年两篇Science文章表明植物的TIR结构域也具有NAD + 水解酶活性，且这一酶活是植物免疫反应所必须的 【5,6】 。值得注意的是，植物TIR降解NAD + 的产物是环ADP核糖的一类变体 （Variant cyclic ADP-ribose, v-c-ADPR） 。作者提出的假设是NAD + 的水解产物ADPR或者v-c-ADPR可能作用与下游蛋白EDS1，NRG1传导细胞死亡或者激活转录信号。

本论文中，在体内和体外实验中TIRRPS4-NLRC4并没有检测到NAD + 水解酶活性，作者推测是由于蛋白丰度过低导致的，而且根据已有的报道植物TIR蛋白蛋的NAD + 酶活性远低于SARM1或者细菌的TIR蛋白的活性。 TIR SARM1 -NLR4以及TIR AbTIR -NLRC4在体内和体外的实验中都检测到NAD + 水解酶活性，然而，这二者都不能诱导植物细胞死亡。这说明了v-c-ADPR对于植物防御反应是必须的但不充分。

TIR-NLR的下游信号通路

EDS1，NRG1是TIR-NLR介导的细胞防御反应所必须的。本论文中TIR-NLRC4所介导的细胞死亡是依赖于EDS1和NRG1的。但是，是NAD + 的降解，还是其产物烟酰胺，ADP核糖或者环ADP核糖作为信号分子向下传递信号还是未知的。最新发表的关于SARM1结构的文章表明NAD + 对于维持SARM1的自抑制状态是必须的 【7,8】 ，或许这也是植物TIR-NLR通过解除自抑制而激活下游信号通路的机制？

NLR的应用前景

如评论文章 【1】 中提到，当前我们面临着粮食危机和气候变暖，利用所掌握的知识改造已知的NLR使其获得新的抗性是应对这一危机的一种思路。本论文在烟草上瞬时表达TIR RPS4 -NLRC4/NAIP5可以识别植物病原菌的flagellin （图4） ，虽然在转基因TIR RPS4 -NLRC4/NAIP5的拟南芥并没有表现出明显的对细菌性病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000的抗性。但是作为proof of concept，本论文表明改造跨物种的NLR，是一种获得新抗性的手段。

图4：TIRRPS4-NLRC4/NAIP5可以识别植物病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato的FliC并诱导细胞死亡反应。

该论文的第一作者是Jonathan Jones实验室的博士后Zane Duxbury和王姗姗。Zane Duxbury在博士和博士后期间主要专注于拟南芥成对NLR:RRS1/RPS4的分子机制研究，并通过人工设计和改造NLR使其获得新抗性；王姗姗此前在清华大学刘玉乐教授实验室获得博士学位，然后进入Jonathan Jones实验室开展博士后工作。

参考文献

1. A. M. Bayless, M. T. Nishimura, Reinventing the wheel with a synthetic plant inflammasome. Proc Natl Acad Sci U S A, (2020).

2. J. Wang et al., Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science 364, (2019).

3. J. Wang et al., Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science 364, (2019).

4. K. Essuman et al., The SARM1 Toll/Interleukin-1 Receptor Domain Possesses Intrinsic NAD+ Cleavage Activity that Promotes Pathological Axonal Degeneration. Neuron 93, 1334-1343.e1335 (2017).

5. S. Horsefield et al., NAD(+) cleavage activity by animal and plant TIR domains in cell death pathways. Science 365, 793-799 (2019).

6. L. Wan et al., TIR domains of plant immune receptors are NAD+-cleaving enzymes that promote cell death. Science365, 799-803 (2019).

7. M. Bratkowski et al., Structural and Mechanistic Regulation of the Pro-degenerative NAD Hydrolase SARM1. Cell Rep 32, 107999 (2020).

8. M. Sporny et al., The Structural Basis for SARM1 Inhibition, and Activation Under Energetic Stress. bioRxiv, 2020.08.05.238287 (2020).

https://doi.org/10.1073/pnas.2001185117

https://doi.org/10.1073/pnas.2013380117