【Science】突破！研究揭示抑制植物免疫的信号分子！

TIR结构域，是所有生物免疫途径中都存在着的一个同源蛋白质模体。它在大多数生物体中具有两个共同的特性：自我联合和剪切NAD+的酶活性。NAD+是一种具有氧化还原特性的代谢物，可参与生物体的许多细胞过程；当细菌和植物对病原体作出反应时，NAD+的剪切可产生小信号分子环状ADP-核糖（cADPR）的异构体。在植物中，病原体丁香假单胞杆菌（Pseudomonas syringae DC3000）的TIR结构域效应蛋白HopAM1，可产生cADPR异构体，从而抑制植物的免疫。然而，相关cADPR异构体的化学结构和作用机制，仍然未知。

Science在线发表了澳大利亚昆士兰大学Bostjan Kobe和格里菲斯大学Thomas Ve联合团队及其合作者题为“Cyclic ADP ribose isomers: Production, chemical structures, and immune signaling”的研究论文。该研究综合利用核磁共振、质谱和晶体学等方法确立了小信号分子cADPR异构体的环化位点和化学结构，解析了它与TIR结构域结合的蛋白结构及其作用机制；有助于深入理解它们在细菌和植物免疫途径中的功能。

DOI: 10.1126/science.adc8969

为了确定cADPR异构体的环化位点，该研究首先表达并纯化了鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）和Aquimarina amphilecti中的AbTirTIR和AaTirTIR，可分别产生v-cADPR（2'cADPR）和v2-cADPR（3'cADPR）异构体。通过核磁共振（NMR）、质谱（HPLC）和晶体学方法发现，v-cADPR和v2-cADPR异构体通过ADPR中核糖分子之间的O-糖苷键形成而环化。利用光散射色谱联用技术（SEC-MALS），该研究证实AbTir可发生浓度依赖性自我聚集（Figure 1）。

Figure 1. v-cADPR和v2-cADPR异构体的化学结构

利用NAD+类似物3AD，该研究解析了AbTirTIR和3AD结合的冷冻电镜（Cryo-EM）结构，并显示3AD存在于 AbTirTIR单体之间，TIR结构域的排列与植物TIR结构域的酶组装不同，但类似于TLR衔接蛋白MAL和MyD88的支架组装；并进一步揭示了导致活性组装的构象变化（Figure 2）。

利用基因突变分析，该研究发现了一个保守的色氨酸（W204），AbTirTIR中该位点的突变可显著减少v-cADPR的产生；同时，该保守的色氨酸对cADPR异构体的环化是必不可少的。

cADPR异构体（v2-cADPR）可激活抗噬菌体防御系统的Thoeris ThsA；通过等温滴定量热法（ITC），研究人员证实TIR结构域产生的cADPR异构体确可以激活Thoeris ThsA，且v2-cADPR的表现比v-cADPR更佳。该研究进一步解析了v2-cADPR与BcThsA SLOG 结构域结合的晶体结构，发现v2-cADPR与BcThsA SLOG对称二聚体界面附近高度保守的口袋结合，二聚体中两个v2-cADPR分子的腺嘌呤碱基仅相隔 4.5Å，并通过两个水分子进行桥连。相比之下，v-cADPR的结构影响了它与BcThsA SLOG口袋的结合（Figure 3）

AbThsA、BcThsA、EfThsA和SeThsA可在溶液中形成四聚体；该研究发现v2-cADPR可通过改变ThsA四聚体的组织方式来激活ThsA的NADase功能，揭示了ThsA选择cADPR异构体的结构基础。

最后，该研究分别构建了效应蛋白HopAM1和HopAM1E191A转基因植物；并证实，HopAM1的表达可抑制植物细胞中ROS的产生，并与v2-cADPR的产生成正相关；表明cADPR异构体v2-cADPR是植物免疫的抑制因子（Figure 4）。

总而言之，该研究揭示了cADPR异构体的产生、化学结构及其作用的分子基础：v-cADPR和v2-cADPR的区别仅在ADPR中核糖基之间的O-糖苷键位置；TIR结构域蛋白介导了cADPR异构体的环化，并与cADPR异构体结合引起构象变化并激活；含TIR结构域的细菌蛋白可产生v2-cADPR异构体，并作为一种抗病毒和抑制植物免疫的信号分子。

值得一提的是，9月29日，Nature在线发表了以色列魏茨曼科学研究所Rotem Sorek和美国哈佛医学院Philip J. Kranzusch联合团队题为“Viruses inhibit TIR gcADPR signaling to overcome bacterial defense”的研究论文。该研究发现Tad1 蛋白可作为“海绵”，结合并隔离TIR结构域蛋白产生的免疫信号分子，从而将噬菌体感应与免疫效应器激活脱钩，并使Thoeris失活；Tad1还可以有效地隔离植物TIR结构域蛋白的分子，并揭示了与植物衍生分子1''-2' gcADPR结合Tad1 的高分辨率晶体结构；类似地，Thoeris TIR 蛋白可产生1''-3' gcADPR，它比植物来源的1''-2' gcADPR 更有效地激活ThsA；揭示了病原体抑制宿主免疫的新作用模式。

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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