Cell│柴继杰团队合作发现植物TIR结构域蛋白的2′,3′-cAMP/cGMP合成酶活性，及其促进控植物免疫的作用

责编 | 王一

细胞为了应答各类胞外的信号，可以产生一系列小分子，并通过变化其浓度调节胞内的各种生物学反应，从而在细胞信号转导途径中起着放大信号的功能。这类小分子被统称为’第二信使’ （second messenger），其中最为人所熟知的便是于1971 诺贝尔医学或生理学奖的3′,5′位环化的单磷酸腺苷环磷酸腺苷(3′,5′-cAMP)。近年来，3′,5′-cAMP的同分异构体2′,3′-cAMP在不同物种中相继被发现，同时其功能包括在植物生物胁迫过程中的作用也有报道。但至今2′,3′-cAMP合成酶还未被发现。

5月20日，德国科隆大学、清华大学柴继杰课题组，德国马克斯-普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert课题组和新加坡南洋理工大学Bin Wu (吴彬)课题组合作在Cell发表了题为“TIR domains of plant immune receptors are 2′,3′-cAMP/cGMP synthetases mediating cell death” 的研究论文，首次证明2′,3′-cAMP以及2′,3′-cGMP(2′,3′-cAM/cGMP)可由植物TIR蛋白产生并正向调控植物的免疫反应。

植物TIR蛋白，因其与动物白细胞介素-1受体（Toll/Interleukin-1 Receptor，TIR）的高度同源性得名，其通常作为植物免疫TIR-NLR受体的一个结构域而存在，同时可以作为一种独立的蛋白介导免疫反应如超敏反应（一种植物细胞死亡方式）。之前的研究显示，TIR蛋白作为一种酶，可以催化NAD+ 水解。而TIR蛋白的NAD+水解酶活性对免疫功能是必要的但不是充分的，暗示还存在其它组分帮助TIR介导植物免疫反应。

为了寻找这些可能的组分，该研究团队首先发现TIR蛋白具有核酸酶活性，可水解RNA/DNA。进一步分析发现，TIR蛋白水解RNA/DNA可以产生2′,3′-cAMP以及2′,3′-cGMP (2′,3′-cAM/cGMP)。TIR蛋白在植物（本氏烟草，Nicotiana benthamiana）中引起超敏反应的能力（超敏活性）与植物的2′,3′-cAMP/2′,3′-cGMP含量紧密相关；水解植物中的2′,3′-cAMP/cGMP显著降低TIR蛋白的超敏活性。这些结果说明，2′,3′-cAMP/cGMP参与正向调控TIR介导的植物免疫反应。也正是由于这种原因，这两个小分子的过度积累增加植物自身损害的风险，因此其在细胞内的水平必定会受到严格调控。诚然，作者发现植物中一个叫NUDT7的酶可以专一性水解2′,3′-cAMP/cGMP，并降低TIR蛋白的超敏反应活性。有趣的是，病原菌也可以分泌类似NUDT7的酶到植物中，从而抑制TIR的免疫活性。

另外，该研究团成功地使用冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 技术解析了多种不同状态的TIR-DNA复合物的结构。这些电镜结构表明，TIR蛋白可以通过形成不同的寡聚态，结合NAD+或者RNA/DNA，从而行使NAD+水解酶活性或者2′,3′-cAMP/cGMP合成酶活性。

综上所述，该研究首次报导了植物TIR蛋白具有2′,3′-cAMP/cGMP合成酶的能力，其与底物DNA/RNA相结合的结构清晰地阐明了该活性的分子机理。2′,3′-cAMP/cGMP，很可能作为一种新的‘第二信使’，促进植物免疫反应。

德国马克斯-普朗克植物育种研究所博士生于东立，科隆大学博士后宋文与新加坡南洋理工大学博士生Eddie Yong Jun Tan为论文共同第一作者。德国科隆大学、清华大学柴继杰教授，德国马克斯-普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授，新加坡南洋理工大学Bin Wu(吴彬) 副教授为本文共同通讯作者。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00530-X