植物NLR免疫受体的识别、免疫激活与信号调控 植物学报    2022, 57 (1): 12-23.   DOI: 10.11983/CBB21159

图1 NLRs的结构组成及与效应蛋白的识别模式(改自Duxbury et al., 2021)
(A) 植物NLRs的结构域分为3类, 包括中间部位的核苷酸结合域(NBD)和C端的富含亮氨酸重复序列(LRR)结构域以及N端的TIR、CC或类RPW8的CC结构域; (B) 植物NLRs识别效应蛋白的不同模式: 一些植物NLR直接与相应的效应蛋白结合, 或通过保卫蛋白或诱饵蛋白间接检测病原体效应蛋白; 此外, 一些植物NLRs具有特异的整合结构域(ID), 介导效应蛋白的识别。

正文中引用本图/表的段落

根据N末端的不同, 典型的植物NLRs分为2种主要类型: TIR型和CC型。TIR型NLR (TIR-type NLRs, TNL)的特征是其N端具有Toll/白介素1受体(Toll/interleukin-1 receptor, TIR)结构域, 而CC型NLR (CC-type NLRs, CNL)具有卷曲螺旋(coiled-coil, CC)结构域(Tamborski and Krasileva, 2020; Saur et al., 2021) (图1A)。大多数动物中NLRs数目较少, 而高等植物中NLRs数目可达数百个, 除负责病原体效应蛋白识别的免疫受体(sensor NLRs, sNLR)外, 还存在对下游免疫信号起转导功能的辅助免疫受体(helper NLRs, hNLR), 如NRG1以及ADR1蛋白家族中的hNLR, 作用于TNL的下游(Peart et al., 2005; Bonar-di et al., 2011; Dong et al., 2016)。由于ADR1以及NRG1的N端携带RPW8 (Resistance to Powdery Mildew 8)类CC域, 而不是典型的CC域(Jubic et al., 2019), 故也称为RNLs (RPW8-type NLRs)。

NLRs感知效应蛋白最简单且最直观的机制是直接结合识别模式(图1B)。直接识别的一个典型例子是亚麻(Linum usitatissimum) L位点编码的TNL L5、L6和L7 对亚麻栅锈菌(Melampsora lini)效应蛋白AvrL567不同变体的感知(Dodds et al., 2006)。然而, 直接相互作用的识别可能推动了AvrL567基因座多样化衍变, 从而产生12个变体, 其中5个变体具有逃避NLRs结合和阻碍NLRs识别的能力(Dodds et al., 2006)。这种协同进化的“军备竞赛”也推动了亚麻L基因座的多样化, 该基因座含有13个等位基因, 其中包括3个识别单个效应蛋白变体的NLR。同时, L蛋白LRR结构域的高度多态性赋予其对多个AvrL567变体的识别, 因此L6 LRR中11个氨基酸的替换会导致其特异性识别效应蛋白数从多个减少至1个(Dodds et al., 2006; Rayamajhi et al., 2013)。

许多植物NLRs特异性识别时不与效应蛋白直接结合(图1B), 而是以一种间接的识别模式, 该模式可分为2种。其一是保卫假说模式, 是指通过间接配体-受体互作识别效应蛋白(Dangl and Jones, 2001)。NLRs监测效应蛋白(或受保护靶标蛋白)的完整性, 并在感知到受保护蛋白结构或功能发生变化时激活免疫反应。拟南芥中, 多个效应蛋白靶向RIN4 (RPM1-interacting protein 4), 而RPS2 (Resistance to P. syringae 2)和RPM1 (Resistance to P. syringae pv. maculicola 1)则通过蛋白互作监测RIN4, 从而识别效应蛋白。丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)可通过其三型分泌系统(type III secretion system, T3SS)分泌蛋白酶AvrRpt2, 随后AvrRpt2裂解RIN4从而触发RPS2依赖型免疫反应(Axtell and Staskawicz, 2003; Mackey et al., 2003)。此外, 丁香假单胞菌效应因子AvrRpm1诱导RIN4腺苷二磷酸(ADP)核糖基化, 进而导致宿主激酶对RIN4磷酸化, 触发RPM1介导的免疫反应(Chung et al., 2011; Liu et al., 2011; Redditt et al., 2019)。近期的研究结果表明, 病原效应蛋白HopZ5和AvrBst能对RIN4 T166保守位点乙酰化, 从而触发RPM1依赖型免疫反应。需要指出的是, 植物内源性去乙酰化酶SOBER1能够对RIN4 T166去乙酰化, 从而抑制免疫反应的发生。这可能是植物为实现免疫反应的精细调控, 避免免疫过度(Choi et al., 2021)。

一些NLRs包含源于效应蛋白靶向的其它蛋白结构域, 被称为整合结构域(integrated domains, ID), 可识别相应的病原体效应蛋白(图1B)。为此, 一些ID直接与其匹配的效应蛋白互作, 甚至被效应蛋白酶所修饰。这与保卫模式识别类似, ID和NLR之间就像受保卫蛋白与NLR的融合。事实上, ID与NLR融合后导致的遗传连锁带来了诸多好处。例如, 在长期进化过程中, 受保卫蛋白与其对应NLR的突变或等位基因所造成的差异可能导致二者之间失去相容性, 而在整合的NLR-ID中, 这种可能性要小很多。说明NLR和ID的融合可能通过反转录转位或异位重组发生(Bailey et al., 2018)。目前, 已有几个通过NLR-ID模式识别效应蛋白的机制被揭示。研究得最为透彻的实例之一是RRS1 (Resistance to Ralstonia solanacearum 1)介导的青枯菌抗性, 其以C末端的WRKY结构域作为ID (Le Roux et al., 2015; Sarris et al., 2015)。青枯菌分泌的效应蛋白PopP2是一种乙酰转移酶, 能结合并乙酰化WRKY转录因子, 破坏其与DNA的结合以提高致病力(Le Roux et al., 2015; Sarris et al., 2015)。然而, 在超表达RRS1植株中, RRS1的WRKY结构域被PopP2乙酰化, 而WRKY结构域乙酰化足以激活RPS1及RPS4 (Resistance to P. syringae 4)介导的免疫应答(Le Roux et al., 2015; Sarris et al., 2015)。同时, RRS1还具有识别其它效应蛋白的功能。例如, 效应蛋白AvrRps4也能够结合RRS1的WRKY结构域(Sarris et al., 2015)。此外, 包括水稻NLRs RGA5和Pik-1的其它已知植物NLR-ID, 都含有重金属相关(heavy metal-associated, HMA)的整合结构域, 从而识别稻瘟病菌效应蛋白AVR-PikD (Césari et al., 2014)。

本文的其它图/表

• 图2 两类NLRs的激活方式(改自Duxbury et al., 2021)
  (A) CNL (ZAR1)抗病小体形成示意图。黄单胞菌效应蛋白AvrAC尿苷酸化拟南芥激酶PBL2。尿苷化的PBL2 (PBL2^UMP)与胞内预先形成的ZAR1-RKS1二聚体结合, 导致ZAR1的构象发生变化, 并在ZAR1 NBD核苷酸结合位点以三磷酸腺苷或脱氧三磷酸腺苷((d)ATP)替换二磷酸腺苷(ADP)。最终, 5个ZAR1-RKS1-PBL2^UMP单体形成1个五聚轮状ZAR1抗病小体。(B) TNL (RPP1)抗病小体形成示意图。胞内典型TIR-type NLR通过富亮氨酸重复序列(LRR)和羧基末端结构域(C-JID)直接识别病原体无病毒效应器, 形成具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸糖水解酶(NADase)活性的四聚体结构。
  
• 图3 高等植物NLRs介导的免疫反应工作模型(改自Liu et al., 2021)
  当植物细胞被病原菌侵染时, 一些病原菌可分泌效应因子以突破植物的免疫防线。在长期进化过程中, 植物进化出许多胞内受体来识别这些效应因子, 从而促发其对病原菌的抗性。CNLs通过感知效应蛋白触发其在质膜的五聚化和抗病小体形成(该模型以间接识别模式的ZAR1抗病小体示例), 并通过N端CC结构域中的α1螺旋形成的孔道作为Ca²⁺内流通道, 介导胞质Ca²⁺浓度上升, 开启细胞死亡和防御反应。TNLs感知效应蛋白后形成四聚抗病小体(该模型以直接识别模式的RPP1示例), TNL抗病小体的形成导致TIR NADase激活, 触发可能包含EDS1-PAD4-ADR1s或EDS1-SAG101-NRG1s低聚合物的组装。辅助型NLR的寡聚作用可形成CNL类似孔道, 作为Ca²⁺内流通道, 介导下游免疫和细胞死亡。红色箭头表示CNL信号, 蓝色箭头表示TNL和RNL信号。