Cell | 植物抗病小体NRC4的作用机制

责编 | 王一

在植物免疫研究中，NLR抗病蛋白（核苷酸结合和富亮氨酸重复序列受体）是植物抵御病原体入侵的关键组成部分。这些蛋白通过识别病原体分泌的效应因子，诱导NLR的寡聚化形成抗病小体，并通过调节细胞质内的钙离子水平以启动免疫反应。其中，一类至关重要的NLR被称为“helper” NLR(hNLR)，它们与 “sensor” NLR(sNLR)协同工作来调节植物免疫。

近日，加州大学伯克利分校Brian Staskawicz课题组联合Eva Nogales课题组在Cell杂志上发表了题为Activation of the helper NRC4 immune receptor results in the formation into a hexameric resistosome的研究论文，解析了NRC4作为一种重要的hNLR参与植物免疫激活的生理过程。

在该项研究中，研究人员使用植物蛋白表达系统表达并提纯了高质量的hNLR复合物，即NRC4抗病小体。随后，研究人员利用冷冻电镜技术解析了该抗病小体的高分辨率结构。令人惊讶的是，与先前报道的NLR形成的四聚体或五聚体结构不同，处于激活状体的NRC4抗病小体形成了六聚体的寡聚形态。进一步的生化分析表明，激活的NRC4 抗病小体通过介导钙离子跨越细胞膜进入细胞质，从而触发免疫反应。研究人员还表达并纯化了茄科植物其他NRC 家族抗病蛋白，包括NRC0、NRC2和NRC3，研究发现这些处于激活状态的NRC均采用了与NRC4相似的六聚体寡聚形态，并且具有类似的功能。在结构的解析过程中研究人员还发现NRC4呈现出一种双层的类似哑铃的十二聚体形态。小鼠的NLRC4炎症小体也曾报道会形成类似的双层结构，在这些双层结构中，启动免疫反应的N端重要序列会被包裹起来，从而抑制其在免疫反应中的作用，这表明更高阶的结构可能在免疫系统中起到调节作用。

为进一步了解NRC家族抗病小体的工作机制，研究人员通过一系列的电生理实验探究了NRC家族蛋白的的钙离子泵入模式。研究结果表明，NRC和先前报道的hNLR NRG1激活引起的钙离子泵入模式类似。当使用非特异性阳离子通道阻滞剂或细胞内钙离子释放阻滞剂时，NRC4 抗病小体介导的钙离子泵入的启动仅略有延迟，而钙离子阻滞剂氯化镧的处理则极显著的减少了钙离子的泵入。此外，额外增加细胞外钙离子增强了NRC4抗病小体介导的钙离子泵入，这表明钙离子通过细胞膜进入细胞是钙离子信号的主要来源。为了进一步研究NRC抗病蛋白诱导的钙离子泵入机制，研究人员在动物细胞表达系统中进行相关实验，然而结果表明在动物细胞中的NRC家族蛋白不能有效的泵入钙离子。因此，NRC抗病小体可能需要某些植物特异性因子才能发挥其功能，从另一方面显示出NRC家族蛋白具有与先前报道过的抗病小体的不同特性。

综上，该项研究阐明了植物中hNLR-sNLR免疫受体对的独特激活机制，揭示了一种与哺乳动物截然不同的信号传导过程。此外，NRC4抗病小体不同的寡聚化状态极大地拓展了我们对NLR蛋白调控机制的认识，这些发现不仅加深了我们对NRC 抗病蛋白的结构和功能的理解，还揭示了钙离子信号在NRC 介导的免疫反应中的重要作用。因此，这些发现为开发新的植物抗病策略提供了重要的理论基础。

图 1. 抗病小体NRC4的作用机制

加州大学伯克利分校博士后研究员刘富荣和杨振林是该论文的共同第一作者。加州大学伯克利分校的Brian Staskawicz教授和杨振林是该论文的共同通讯作者。加州大学伯克利分校的王超博士，章尤博士，Raoul Martin，Sheng Luan教授,Eva Nogales教授，斯坦福大学的乔文婕博士和Jan E. Carette教授，普林斯顿大学的黄健博士，以及北卡教堂山分校的Pierre Jacob和Jeffery L. Dangl教授等为该研究做出了重要的贡献。该工作得到了美国NIH和霍华德休斯医学研究院等基金的支持，冷冻电镜数据采集得到了Cal-Cryo冷冻电镜中心的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.013