水木视界iss.17丨冷冻电镜与晶体学手段强力互补解析植物蛋白NPR1结构，揭示植物免疫反应调控新机制

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NPR1是植物激素水杨酸SA的受体，对植物抵抗病原体入侵非常关键，然而具体的分子机制并不清楚。杜克大学董欣年教授围绕水杨酸介导的信号通路在植物免疫领域深耕多年，并做出了许多杰出工作。近来强势发力，将冷冻电镜技术和X-射线晶体学手段强势结合，和合作者解析了NPR1与转录因子的结构，解释了NPR1激活植物免疫的分子基础，利用结构生物学手段助力了潜在的农业应用。

当植物遭受病原体攻击时，NPR1蛋白会介入植物的免疫反应。科学家们现在已经弄清楚了这种蛋白质的样子以及它的工作原理，这可能给农业带来了一大福音。

生物学家董欣年教授说，她今年最好的圣诞礼物来自“一通电话”。这通电话来自她在杜克大学的老友周沛教授，他带来了期待已久的消息：植物蛋白NPR1的结构终于完成了解析。

作为霍华德休斯医学研究所的研究员，董欣年在25年前发现了NPR1。该蛋白在帮助开花植物抵御大部分的病原体方面起着关键作用。如今，NPR1被广泛认为是一个主要调节蛋白，控制着2000多个参与植物免疫的基因。

尽管NPR1在植物的防御机制中发挥着巨大作用，但它的结构处于长期的未知状态，并一直困扰着该领域的研究人员。周沛认为，如果没有详细的结构数据，科学家们很难理解这种蛋白质是如何参与并调控植物防御，NPR1如何在分子水平上工作的研究工作非常关键，也很缺失。

周沛和董欣年的团队成功弥补了这一空白领域，并在一项新研究中揭示了NPR1的结构和功能，这一研究结果可能改变植物种植的模式。研究小组于2022年5月11日在《自然》杂志上发表了植物界模式蛋白-拟南芥的NPR1的结构。

对董欣年来说，这篇论文可以给一项持续数十年科研探索工作的画上完美句号的。她说：“当我第一次看到NPR1的结构时，它让我窒息。它看起来就像一只滑翔的鸟，非常漂亮。”

生存与抗争

人类自种植农作物以来，不得不与影响植物生长的众多害虫和病原体作斗争。例如，臭名昭著的疫霉菌曾是马铃薯晚疫病流行引发“爱尔兰大饥荒”的元凶，间接导致了一百万的死亡和两百万的难民产生。董说：“与病原体的斗争是艰难而长期的，但这就是我们所生存的世界。"

今天，病原体继续攻击着香蕉、牛油果和一些其他常见作物。但是依靠传统的方法并不能解决这些问题。比如化学杀虫剂往往面临着环境毒性的问题。植物育种者目前正在另辟蹊径，寻找基于基因的解决方案，比如通过工程设计使植物细胞产生高水平的NPR1。这种方法在实验室和一些田间试验中已被证明可行，但同时也出现了一些问题：比如植物的免疫力虽然增强，但植物的生物生长却受限制。

英国诺里奇塞恩斯伯里实验室(TSL)的植物生物学家乔纳森·琼斯认为，对NPR1的结构和功能的新研究可以帮助研究人员解决这个问题，并设计出更好的作物。了解这种蛋白质如何工作以及与其他分子的相互作用，对于增强植物的抗病能力意义重大。

展翅翱翔

周沛和董欣年的研究小组使用X射线晶体学和冷冻电镜(cryo-EM)方法解析了NPR1的结构。结构生物学家柴继杰说，多年来许多实验室都尝试过解析NPR1的结构，但都失败了，因为NPR1是出了名的难以纯化。

该团队的成功秘诀之一在于一些结构解析技术的互补使用。冷冻电镜为研究人员提供了NPR1的初步结构，这为如何设计蛋白质以成功进行晶体学研究提供了关键的见解。并从而产出了NPR1及其关键功能区域的高分辨率图像。

虽然以前的研究提供了对NPR1的部分结构解析，但没有一项是像这篇新论文所报告的那样全面的"，Jones说。新的图像显示，两个NPR1蛋白聚集在一起，形成一个类似于鸟类展开翅膀的结构。在翼尖，NPR1与细胞核中的分子结合，开启植物免疫基因。董欣年说：结构最终得以揭示，四年的实验投入是非常值得的。

现在，董欣年的团队想弄清楚病原体感染后如何NPR1如何与之相互作用并折叠成一个新的形状。董欣年说：“这项研究解决了许多长期以来很困惑的问题，而且还指出了一些新的研究方向，这是最激动人心的时刻。”

相关文献

doi.org/10.1038/s41586-022-04699-w

NPR1是植物免疫信号调控网络中由水杨酸诱导的防御基因转录的重要调节因子。尽管NPR1在植物免疫中具有重要作用，但由于缺乏结构信息，对其调控机制的理解一直受到阻碍。这里我们报告了拟南芥NPR1及其与转录因子TGA3的复合体的冷冻电镜及晶体结构。冷冻电镜结构解析显示，NPR1形成鸟类展开翅膀的同源二聚体：包括一个中央的Broad-complex、Tramtrack和Bric-à-brac(BTB)结构域、一个BTB和羧基端Kelch螺旋束、四个锚蛋白重复序列和一个无序的水杨酸结合结构域。晶体结构分析显示，BTB中有一个独特的锌指模体，用于与锚蛋白重复序列相互作用并介导NPR1的寡聚。我们发现，在受到刺激后，水杨酸诱导的水杨酸结合结构域与(ankyrin repeats)锚蛋白重复序列的折叠和对接对NPR1发挥转录辅助因子活性所必需的，为水杨酸在调节NPR1依赖的基因表达中的直接作用提供了结构上的解释。此外，我们的TGA32-NPR12-TGA32复合物的结构、DNA结合试验和遗传数据表明，二聚体NPR1通过连接两个脂肪酸结合的TGA3二聚体形成一个复合物来激活转录。NPR1-TGA复合物的逐步组装表明可能与其他转录因子形成异构体复合物，揭示了NPR1如何重编程防御转录组。

转自：水木未来资讯

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