植物寄主与病原菌长期协同进化过程中形成了复杂的互作机制，相互之间的攻防战从未停歇。尽管植物可以通过多层次的防卫系统抵御病原菌的侵染，但无奈“道高一尺，魔高一丈”。病原菌也进化出了各种新的武器以突破植物的防卫系统，从而引发病害。在病原菌侵染寄主过程中，效应蛋白（Effectors）作为一种精确制导的重要武器发挥着关键作用。因此，研究病原菌效应蛋白的致病机制及其维持功能多样性的进化策略增进人们对植物病害的理解以及开展病害防治研究具有重要意义。
2023年6月26日，英国赛恩斯伯里实验室 (The Sainsbury Laboratory, TSL) 马文勃教授课题组与中国科学院生物物理所王艳丽研究员课题组合作在Cell上发表了题为Pathogen protein modularity enables elaborate mimicry of a host phosphatase的研究论文。该研究综合运用遗传学、生物化学、结构生物学、蛋白质组学等手段，揭示了疫霉产生的效应蛋白通过劫持寄主的Protein Phosphatase 2A (PP2A) 的核心酶，进而促进疫霉侵染的的新机制；并首次阐释了效应蛋白可以通过模块化结构的重排组装促进疫霉菌效应子库的功能多样性。
疫霉病害可以侵染多种农作物，包括马铃薯、大豆、玉米、水稻和小麦等主要粮食作物，由其引起的病害对全球粮食安全构成了严重威胁。马文勃教授团队长期研究疫霉效应蛋白的致病机理，前期通过合作解析了大豆疫霉 (Phytophthora sojae) 的关键效应蛋白Phytophthora Suppressor of RNA Silencing 2 (PSR2) 的晶体结构【1】，发现PSR2是由七个 (L)WY重复结构单元串联重复而成，每个结构模块形成结构高度保守的螺旋序，且相邻的结构模块通过保守机制相连，进而维持蛋白的稳定构象。 (L)WY结构单元广泛存在于多种疫霉效应蛋白中。有趣的是，这些效应蛋白因受到强烈的正向选择压力，使其表面残基上“千变万化”，表明它们可能具有靶向寄主不同蛋白的能力。然而， (L)WY结构单元能否作为功能模块直接介导与宿主蛋白的特异性相互作用，以及效应子的(L)WY模块化结构如何促进疫霉效应子库的功能多样性，目前均尚不清楚。
该研究将PSR2作为 (L)WY效应蛋白的典型代表进行探究。首先，通过IP-MS发现PSR2可以与植物体内的磷酸酶PP2A的核心酶发生相互作用，形成一个有功能的全酶。PP2A复合物中，骨架亚基 (A subunit) 和催化亚基 (C subunit) 相互作用形成核心；核心酶与调控亚基 (B subunit) 互作形成全酶。遗传分析发现，PSR2的致病功能依赖于PP2A核心酶。作者进一步利用晶体学手段解析了PSR2与PP2A A亚基的二元复合物晶体结构，发现PSR2的LWY2-LWY3结构模块形成的凹槽形结构在与A亚基相互作用的过程中发挥着至关重要的作用，并且PSR2与内源性的B亚基一样可以结合到A亚基的N端。同时，作者发现PSR2与A亚基结合能力显著高于内源性B亚基与A亚基的结合能力，可以有效地竞争掉内源性PP2A全酶中的B亚基。这些结果表明疫霉分泌的PSR2可以模拟植物PP2A的B亚基，并且其与宿主细胞的B亚基竞争结合核心酶的过程中，处于优势地位。
作者接着利用AlphaFOLD2预测了大豆疫霉和致病疫霉 (Phytophthora infestans) 中所有LWY效应蛋白的结构，并以结构、氨基酸序列和关键表面残基等信息为基础，将LWY效应蛋白与PSR2的LWY2-LWY3结构模块进行比对，筛选出15个可能性高的候选效应蛋白进行实验验证。最终发现其中 12个LWY效应子同样能够与宿主的PP2A核心酶发生相互作用形成全酶。蛋白结构分析发现与PP2A形成全酶的LWY效应蛋白共享相对保守的N端PP2A相互作用结构域；而C端LWY结构域相对多样。最后，作者挑选了其中一个来自于致病疫霉的效应蛋白PITG_15142与PSR2一起进行定量磷酸化组实验分析，发现它们调控几乎完全不同的蛋白质的磷酸化水平 (图1)。这些结果表明效应蛋白基于LWY模块的重排组装，塑造了其如“瑞士军刀”一样的多样功能。
图1. 疫霉LWY效应蛋白劫持寄主PP2A核心酶的工作模型
综上所述，该研究不仅揭示了植物中的PP2A核心酶是一个容易被病原菌利用的靶点，同时阐释了疫霉效应蛋白在长期进化中保持功能多样性的适应策略。该研究成果为培育抗病品种、开发病害防治策略提供了重要的科学依据。
英国赛恩斯伯里实验室马文勃教授和中科院生物物理所王艳丽研究员为本论文共同通讯作者。马文勃教授团队博士后李辉、王艳丽研究员团队博士生王金龙为本论文的共同第一作者，两个课题组多位成员参与了本论文的部分工作。参与这项工作的还有TSL蛋白质组学支撑团队。该项研究得到了Gatsby Charitable Foundation、BBSRC、USDA、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项 (B类)、中国科学院前沿科学重点研究项目的支持。
参考文献
1. He, J., Ye, W., Choi, D.S., Wu, B., Zhai, Y., Guo, B., Duan, S., Wang, Y., Gan, J., Ma, W., and Ma, J. (2019). Structural analysis of Phytophthora suppressor of RNA silencing 2 (PSR2) reveals a conserved modular fold contributing to virulence. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 1050 8054-8059.
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00640-2
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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