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Nature：华人科学家解析植物免疫调控明星蛋白NPR1结构，未来或用于植物抗病性研究

来源：花匠小妙招时间：2024-11-04 05:32

植物在整个生活史中时刻面临着细菌、真菌和病毒等各种病原微生物的侵害。在与病原微生物对抗的过程中，植物逐渐形成了一套免疫机制，以保证其完成正常的生长发育过程。与高等脊椎动物的天然免疫和获得性免疫相比，植物只具备先天免疫反应，由侵染部位产生的系统信号来抵抗病原微生物的入侵。

水杨酸是植物防卫反应的重要内源信号分子，在植物抵御生物性胁迫中发挥重要作用。而 NPR1 在水杨酸信号转导途径和植物系统性抗病中发挥核心调控作用，是植物免疫信号调控网络中的明星分子，其控制着 2000 多个与植物免疫有关的基因。

25 年前，董欣年（Xinnian Dong）教授在霍华德休斯医学研究所任教时，就发现 NPR1 在保护开花植物免受广泛病原体侵害方面发挥着关键作用。但由于 NPR1 蛋白难以纯化成像，结构不明，对于其调控机制还知之甚少，科学界始终缺失对于其如何在分子水平上发挥作用的解释。

董欣年：

1982 年董欣年获武汉大学微生物学学士学位，1988 年获美国西北大学分子生物学博士学位。1988 至 1991 年，在哈佛大学医学院从事博士后研究。1992 年起，历任美国杜克大学生物系助理教授、副教授、教授。2011 年当选霍华德休斯医学研究所（HHMI）研究员、同年入选美国科学促进会（AAAS）会士，2012 年获选美国科学院院士，2013 年当选美国微生物科学院院士。董欣年的主要研究领域为植物分子生物学和生理学，特别是水杨酸和茉莉酸介导的信号转导途径及其相互作用机制，以通讯作者身份在Science、Nature、Cell等国际顶尖学术刊物发表大量研究论文。

就在近日，董欣年联合杜克大学合作伙伴Pei Zhou在 Nature 上发表了题为 “Structural basis of NPR1 in activating plant immunity” 的文章，报道了拟南芥 NPR1 及其与转录因子 TGA3 的复合物的晶体结构。

▲图 | NPR1 及其与转录因子 TGA3 的复合物结构（来源：上述论文）

“当我第一次看到 NPR1 的结构时，我大吃一惊，它看起来像一只滑翔的鸟，很漂亮。”董欣年感叹道。团队还发现，正是在 “翼尖”，NPR1 与细胞核中的分子结合以开启植物免疫基因。

在这项研究中，Pei Zhou、董欣年及团队使用 X 射线晶体学和低温电子显微镜 (Cryo-EM) 进行成像，揭示了拟南芥 NPR1 及其与转录因子 TGA3 的复合物的晶体结构。多年来，许多实验室都尝试过但都失败了，科隆大学的结构生物学家Jijie Chai表示，“众所周知，NPR1 难以纯化用于成像。” 他并未参与这项工作。

冷冻电子显微镜分析表明，NPR1 是一种鸟形同源二聚体，包含一个中央 Broad-complex、Tramtrack 和 Bric-à-brac (BTB) 结构域、一个 BTB 和羧基末端 Kelch 螺旋束、四个锚蛋白重复序列和一个无序的水杨酸 - 结合域。

▲图 | 当暴露于病原体时，常见的实验室植物拟南芥依靠 NPR1 蛋白来保持健康（右图），缺乏 NPR1（左）的植物被感染并长出黄叶

植物生长发育过程中，会经受细菌、真菌和卵菌等各种病原微生物的攻击。由此导致的植物病害，是自然生态系统和现代农业生产的一大危害，给全球粮食安全带来了巨大挑战。例如，水霉菌（Phytophthora infestans）曾导致 100 万人死亡和 200 万难民的爱尔兰马铃薯饥荒。

如今，病原体依旧影响着香蕉、鳄梨和其它作物，但利用化学杀虫剂等传统手段会对环境造成影响。这也是植物育种者寻求遗传解决方案的原因之一，例如工程化改造植物细胞以产生高水平的 NRP1。该方法已在实验室和小型田间试验中证明是成功的，但有一个问题：随着免疫力的提高，生长速度下降。

未参与这项研究的英国诺里奇塞恩斯伯里实验室的植物生物学家Jonathan Jones则表示，新发现的关于 NPR1 结构可以帮助研究人员绕过这个问题并设计出更好的作物。“了解这种蛋白质如何发挥作用以及如何与其他分子相互作用，对于增强植物的抗病性具有相当大的潜力。” 他还表示，虽然以前的研究提供了 NPR1 部分结构，但没有一个像这篇新论文中报道的全面。

未来，董欣年的团队计划接下来研究当感染使蛋白质发挥作用时，NPR1 是如何折叠成新形状的。

参考资料：

[1]Shivesh Kumar et al. “Structural basis of NPR1 in activating plant immunity.” Nature.

[2] https://www.hhmi.org/news/structure-gliding-bird-plant-protein-could-lead-better-crops

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