清华大学生命学院柴继杰、王雄伟与中科院遗传
来源:马来西亚网 发表于2019-07-05 21:18:52 编辑:于朦胧
摘要: 4月5日电 在长时间对立病原生物的进程中,植物进化出了杂乱高效的两层免疫系统,用于辨认各种病原微生物、激活防卫反响维护自己。处于两层免疫系统

  4月5日电 在长时间对立病原生物的进程中,植物进化出了杂乱高效的两层免疫系统,用于辨认各种病原微生物、激活防卫反响维护自己。处于两层免疫系统的中心是植物细胞内数目很多的抗病蛋白,它们既是监控病虫损害的岗兵,也是植物发动高效防卫系统的指挥官。抗病蛋白被发现及在植物育种中很多运用已有20多年,但人们对其发挥效果的分子机制仍不清楚。清华大学柴继杰团队、中国科学院遗传与发育生物学研讨所周俭民团队、以及清华大学王雄伟团队最近的联合研讨,在植物免疫研讨范畴获得历史性的严重打破。协作团队发现由抗病蛋白组成的抗病小体并解析了其处于按捺状况、中间状况及五聚体活化状况的冷冻电镜结构,然后提醒了抗病蛋白管控和激活的中心分子机制。相关效果以两篇长文(Research Article)方式,别离以 病原蛋白诱导的ADP解离发动植物抗病蛋白 (Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex)和 植物抗病小体的重组和结构功用根底 (Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity)为标题,于2019年4月5日宣布在世界威望学术期刊《科学》(Science)上。《科学》杂志同期宣布了世界植物抗病研讨威望科学家Jeffery Dangl和Jonathan Jones编撰的题为 耀眼的五星:植物抗病小体 (A pentangular plant inflammasome)的专文评述,高度评价这一严重打破性效果。

  植物抗病蛋白表达在正常植物细胞内遭到严厉的调控,且其活化会导致感病部分细胞组织的超敏性逝世(HR),使得植物体内抗病蛋白介导的信号通路研讨十分困难。植物抗病范畴急切需要抗病蛋白的全长按捺及活化状况的结构来整合以往海量的遗传信息并辅导植物抗病机制的深入研讨。因而,抗病蛋白理论研讨的一个巨大瓶颈在于缺少蛋白质结构,这正是柴继杰团队2004年树立以来的主攻方向。

  但植物抗病蛋白作为多结构域的蛋白常常具有分子量大及构像多变等特色,导致体外的纯化重组及结构研讨十分困难。自从25年前世界上初次判定到抗病蛋白以来,多个世界顶尖试验室均未能纯化出可供结构剖析的全长抗病蛋白质。柴继杰团队自2004年树立以来就开端在数量很多的植物抗病蛋白中进行抱负研讨目标的深重挑选作业,在十几年里的研讨阅历中数十位博士研讨生在植物抗病蛋白的很多表达、高质量纯化和体外重组等方面积累了很多的名贵经历。2019年末,柴继杰团队成功挑选到用于结构生物学研讨的抱负候选ZAR1,但病原菌蛋白HopZ1a未能成功激活ZAR1抗病蛋白。周俭民团队在2019年发现了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防战略:病原细菌的一个致病蛋白AvrAC精准损坏植物免疫系统中的要害组分,协助细菌侵染植物寄主;而植物则运用特别的 钓饵 PBL2和RKS1蛋白,感知AvrAC的活动并将信息传递给植物抗病蛋白ZAR1,敏捷激活免疫反响,铲除细菌。之后两个团队就ZAR1抗病蛋白的结构生物学研讨打开严密协作,曾经在长时间协作中构成的理论和试验系统,也为这一课题的顺畅协作奠定了根底。一起王雄伟团队长时间致力于冷冻电镜方法学的研讨和改进,尤其在运用相位板技能解析小分子量蛋白质的结构方面经历丰富,因而在较短时间内解析具有小分子量抗病蛋白非激活状况的高分辩率结构具有很大可能性。一起,柴继杰团队近年在动物炎症小体结构研讨中获得了打破,因为组成炎症小体的蛋白与植物抗病蛋白具有许多相似性,这些研讨为解析植物抗病蛋白结构积累了名贵经历。

  在上述研讨的根底上,三个团队进一步协作,以AvrAC与ZAR1为系统研讨植物抗病蛋白结构。通过多年协作攻关,成功地解析了植物抗病蛋白按捺状况复合物RKS1-ZAR1、辨认-发动状况复合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、以及激活复合物 (抗病小体,resistosome)的结构,详细论述植物抗病蛋白的作业机理。在榜首篇文章中,ZAR1通过本身多结构域组成的分子内互作和ADP分子介导的自我按捺机制被详细提醒(图1A);植物抗病蛋白通过辨认病原菌蛋白AvrAC导致其核酸结合结构域(NBD)的构象变化和开释ADP分子,然后免除ZAR自按捺进入发动状况(图1B和1C)。

  图1 植物抗病蛋白的按捺状况结构(A)、辨认-发动状况结构(B)和发动机理(C)示意图

  在第二篇文章中,ZAR1被AvrAC激活后,拼装成含三个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器,植物抗病蛋白的榜首个激活复合物被成功捕捉并被正式命名为 抗病小体 (resistosome) (图2)。更为重要的是,抗病小体结构的解析为了解其生化功用供给了头绪,奠定植物操控细胞逝世和免疫新模型的树立。

  图2 植物抗病小体不同视角的结构示意图

  两篇文章的研讨效果是通过对按捺状况复合物的结构和功用解析,阐明晰抗病蛋白由按捺状况,通过中间状况,终究构成抗病小体的生化进程,协作团队严密结合结构、生化和功用研讨,提醒了抗病小体作业机制(图3)。比方,抗病小体构成后直接在细胞质膜上宣布自杀指令,很可能是植物细胞逝世和免疫执行者。该项作业填补了人们25年来对立病蛋白认知的巨大空白,为研讨其它抗病蛋白供给了范本。

  图3 植物抗病小体作业机制示意图

  在《科学》杂志同期专文评述中,世界植物抗病研讨威望科学家美国科学院院士Jeffery Dangl和英国皇家学会会员、美国科学院外籍院士Jonathan Jones对这一严重打破性效果给予高度评价: 首个抗病小体的发现,为植物怎么操控细胞逝世和免疫供给了头绪 ( The first plant resistosome structure provides clues to cell death control and immunity ),显著地推进了人们对植物免疫机制的知道( These important findings substantially advance our understanding of plant immune mechanisms ), 打开了多个开拓性研讨方向 ( open many new lines of what is sure to be ground-breaking research )。《植物学报》一起宣布世界闻名植物抗病专家Xin Li(李昕)等人题为 敞开防护之门:植物抗病小体 的专文评述,以为该项效果 完成了植物NLR蛋白复合物的拼装、结构和功用剖析,提醒了NLR效果的要害分子机制,是植物免疫研讨的里程碑事情 。

  各种农作物病虫害,严重威胁农业生产。为了削减丢失,农业生产中不得不很多施用化学农药,但这又对环境、人类健康、和农业可持续开展带来了应战。在维护作物的一起,削减化学农药的施用,成为摆在农业生产者和科学家面前的一道难题。处理这一问题的要害,就存在于植物细胞中 植物细胞内数目很多的抗病蛋白。这些蛋白发现病菌后,敏捷发动植物防卫反响,杀死病菌,然后维护植物免受损害。运用抗病蛋白,规划新式抗病虫育种,将大大削减化学农药的施用。抗病蛋白高分辩度结构和效果机制的解析,将为规划抗广谱、耐久的新式抗病蛋白,开展绿色农业奠定了中心理论根底。

  清华大学生命科学学院博士后王继纵、王家与中国科学院遗传与发育生物学研讨所博士生胡梅娟为榜首篇论文的一起榜首作者;王继纵、胡梅娟和王家为第二篇论文的一起榜首作者。柴继杰、周俭民与王雄伟为两篇论文的一起通讯作者。清华大学生命科学学院戚益军教授、韩志富副研讨员和中国科学院遗传与发育生物学研讨所博士生漆金凤、王国勋博士在两篇论文中参加了部分作业,原清华大学生命科学学院高宁研讨员、吴姗博士在榜首篇论文中参加了部分作业。电镜数据收集于清华大学冷冻电镜渠道,核算作业得到清华大学高性能核算渠道、国家蛋白质设备试验技能中心(北京)的支撑。本作业获得了国家自然科学基金委、科技部、北京市科委、清华-北大生命科学联合中心和北京市结构生物学高精尖立异中心等的大力支撑。

  背靠背《科学》文章:

  Wang JZ#, Wang J#, Hu M#, Wu S, Qi J, Wang G, Han Z, Qi Y, Gao N, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J* (2019). Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science

  Wang JZ#, Hu M#, Wang J#, Qi J, Han Z, Wang G, Qi Y, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J* (2019). Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science

  专文评述:

  

  夏石头 李昕(2019). 敞开防护之门:植物抗病小体. 植物学报

  Dangl J, Jones JDG (2019). a pentangular plant inflammasome. Science

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