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　　近日，清華大學柴繼傑團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊、以及清華大學王宏偉團隊最近的聯合研究，在植物免疫研究領域取得歷史性的重大突破，在《科學》（Science）背靠背發表兩篇研究長文。

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　　在長期對抗病原生物的過程中，植物進化出了複雜高效的兩層免疫系統，用於識別各種病原微生物、激活防衛反應保護自己。處於兩層免疫系統的核心是植物細胞內數目衆多的抗病蛋白，它們既是監控病蟲侵害的哨兵，也是植物動員高效防衛系統的指揮官。抗病蛋白被發現及在植物育種中大量應用已有20多年，但人們對其發揮作用的分子機制仍不清楚。清華大學柴繼傑團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊、以及清華大學王宏偉團隊最近的聯合研究，在植物免疫研究領域取得歷史性的重大突破。合作團隊發現由抗病蛋白組成的抗病小體並解析了其處於抑制狀態、中間狀態及五聚體活化狀態的冷凍電鏡結構，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制。相關成果以兩篇長文(Research Article)形式，分別以“病原蛋白誘導的ADP解離啓動植物抗病蛋白”（Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex）和“植物抗病小體的重組和結構功能基礎”（Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity）爲題目，於2019年4月5日發表在國際權威學術期刊《科學》（Science）上。《科學》雜誌同期發表了國際植物抗病研究權威科學家Jeffery Dangl和Jonathan Jones撰寫的題爲“耀眼的五星：植物抗病小體”（A pentangular plant inflammasome）的專文評述，高度評價這一重大突破性成果。

　　植物抗病蛋白表達在正常植物細胞內受到嚴格的調控，且其活化會導致感病局部細胞組織的超敏性死亡（HR），使得植物體內抗病蛋白介導的信號通路研究非常困難。植物抗病領域急切需要抗病蛋白的全長抑制及活化狀態的結構來整合以往海量的遺傳信息並指導植物抗病機制的深入研究。因此，抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在於缺乏蛋白質結構，這正是柴繼傑團隊2004年成立以來的主攻方向。

　　但植物抗病蛋白作爲多結構域的蛋白經常具有分子量大及構像多變等特點，導致體外的純化重組及結構研究非常困難。自從25年前國際上首次鑑定到抗病蛋白以來，多個國際頂尖實驗室均未能純化出可供結構分析的全長抗病蛋白質。柴繼傑團隊自2004年成立以來就開始在數量衆多的植物抗病蛋白中進行理想研究對象的繁重篩選工作，在十幾年裏的研究經歷中數十位博士研究生在植物抗病蛋白的大量表達、高質量純化和體外重組等方面積累了大量的寶貴經驗。2013年底，柴繼傑團隊成功篩選到用於結構生物學研究的理想候選ZAR1，但病原菌蛋白HopZ1a未能成功激活ZAR1抗病蛋白。周儉民團隊在2015年發現了病原細菌和植物之間令人驚歎的攻防策略：病原細菌的一個致病蛋白AvrAC精準破壞植物免疫系統中的關鍵組分，幫助細菌侵染植物寄主；而植物則利用特殊的“誘餌”PBL2和RKS1蛋白，感知AvrAC的活動並將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應，清除細菌。之後兩個團隊就ZAR1抗病蛋白的結構生物學研究展開緊密合作，以前在長期合作中形成的理論和實驗體系，也爲這一課題的順利合作奠定了基礎。同時王宏偉團隊長期致力於冷凍電鏡方法學的研究和改善，尤其在使用相位板技術解析小分子量蛋白質的結構方面經驗豐富，因此在較短時間內解析具有小分子量抗病蛋白非激活狀態的高分辨率結構具有很大可能性。同時，柴繼傑團隊近年在動物炎症小體結構研究中取得了突破，由於組成炎症小體的蛋白與植物抗病蛋白具有諸多相似性，這些研究爲解析植物抗病蛋白結構積累了寶貴經驗。

　　在上述研究的基礎上，三個團隊進一步合作，以AvrAC與ZAR1爲體系研究植物抗病蛋白結構。經過多年協作攻關，成功地解析了植物抗病蛋白抑制狀態複合物RKS1-ZAR1、識別-啓動狀態複合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、以及激活複合物 (抗病小體，resistosome)的結構，詳細闡述植物抗病蛋白的工作機理。在第一篇文章中，ZAR1通過自身多結構域組成的分子內互作和ADP分子介導的自我抑制機制被具體揭示（圖1A）；植物抗病蛋白通過識別病原菌蛋白AvrAC導致其核酸結合結構域（NBD）的構象變化和釋放ADP分子，從而解除ZAR自抑制進入啓動狀態（圖1B和1C）。

　　圖1 植物抗病蛋白的抑制狀態結構（A）、識別-啓動狀態結構（B）和啓動機理（C）示意圖

　　在第二篇文章中，ZAR1被AvrAC激活後，組裝成含三個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器，植物抗病蛋白的第一個激活複合物被成功捕捉並被正式命名爲“抗病小體”(resistosome) (圖2)。更爲重要的是，抗病小體結構的解析爲理解其生化功能提供了線索，奠定植物控制細胞死亡和免疫新模型的建立。

　　圖2 植物抗病小體不同視角的結構示意圖

　　兩篇文章的研究成果是通過對抑制狀態複合物的結構和功能解析，闡明瞭抗病蛋白由抑制狀態，經過中間狀態，最終形成抗病小體的生化過程，合作團隊緊密結合結構、生化和功能研究，揭示了抗病小體工作機制（圖3）。比如，抗病小體形成後直接在細胞質膜上發出自殺指令，很可能是植物細胞死亡和免疫執行者。該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白，爲研究其它抗病蛋白提供了範本。

　　圖3 植物抗病小體工作機制示意圖

　　在《科學》雜誌同期專文評述中，國際植物抗病研究權威科學家美國科學院院士Jeffery Dangl和英國皇家學會會員、美國科學院外籍院士Jonathan Jones對這一重大突破性成果給予高度評價：“首個抗病小體的發現，爲植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索”(“The first plant resistosome structure provides clues to cell death control and immunity”)，顯著地推進了人們對植物免疫機制的認識(“These important findings substantially advance our understanding of plant immune mechanisms”), 打開了多個開拓性研究方向 (“open many new lines of what is sure to be ground-breaking research”)。《植物學報》同時發表國際著名植物抗病專家Xin Li（李昕）等人題爲“開啓防禦之門：植物抗病小體”的專文評述，認爲該項成果“完成了植物NLR蛋白複合物的組裝、結構和功能分析，揭示了NLR作用的關鍵分子機制，是植物免疫研究的里程碑事件”。

　　各種農作物病蟲害，嚴重威脅農業生產。爲了減少損失，農業生產中不得不大量施用化學農藥，但這又對環境、人類健康、和農業可持續發展帶來了挑戰。在保護作物的同時，減少化學農藥的施用，成爲擺在農業生產者和科學家面前的一道難題。解決這一問題的關鍵，就存在於植物細胞中——植物細胞內數目衆多的抗病蛋白。這些蛋白髮現病菌後，迅速啓動植物防衛反應，殺死病菌，從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白，設計新型抗病蟲育種，將大大減少化學農藥的施用。抗病蛋白高分辨度結構和作用機制的解析，將爲設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發展綠色農業奠定了核心理論基礎。

　　清華大學生命科學學院博士後王繼縱、王家與中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士生胡梅娟爲第一篇論文的共同第一作者；王繼縱、胡梅娟和王家爲第二篇論文的共同第一作者。柴繼傑、周儉民與王宏偉爲兩篇論文的共同通訊作者。清華大學生命科學學院戚益軍教授、韓志富副研究員和中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士生漆金鳳、王國勳博士在兩篇論文中參與了部分工作，原清華大學生命科學學院高寧研究員、吳姍博士在第一篇論文中參與了部分工作。電鏡數據採集於清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學高性能計算平臺、國家蛋白質設施實驗技術中心（北京）的支持。本工作獲得了國家自然科學基金委、科技部、北京市科委、清華-北大生命科學聯閤中心和北京市結構生物學高精尖創新中心等的大力支持。

　　背靠背《科學》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

　　專文評述：

　　夏石頭 李昕(2019). 開啓防禦之門：植物抗病小體. 植物學報

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

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/eaav5868

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/eaav5870

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/31

　　http://www.chinbullbotany.com/CN/1674-3466/home.shtml

　　來源 | 清華新聞網　　　　　　編輯 | 化學加

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