深圳子科生物報(bào)道：長期對(duì)抗病原生物的過程中，植物進(jìn)化出了復(fù)雜高效的兩層免疫系統(tǒng)，用于識(shí)別各種病原微生物、激活防衛(wèi)反應(yīng)保護(hù)自己。處于兩層免疫系統(tǒng)的核心是植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白，它們既是監(jiān)控病蟲侵害的哨兵，也是植物動(dòng)員高效防衛(wèi)系統(tǒng)的指揮官。

抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)及在植物育種中大量應(yīng)用已有二十多年，但人們對(duì)其發(fā)揮作用的分子機(jī)制仍不清楚。清華大學(xué)柴繼杰團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民團(tuán)隊(duì)、和清華大學(xué)王宏偉團(tuán)隊(duì)最近的聯(lián)合研究，在植物免疫研究領(lǐng)域取得歷史性的重大突破。合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由抗病蛋白組成的抗病小體并解析了其處于抑制狀態(tài)、中間狀態(tài)及五聚體活化狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機(jī)制。

這些相關(guān)成果以兩篇長文(Research Article)形式分別以“病原蛋白誘導(dǎo)的ADP解離啟動(dòng)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(jié)構(gòu)功能基礎(chǔ)”（Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity）為題目，于2019年4月5日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science《科學(xué)》。Science雜志同期發(fā)表了國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家Jeffery Dangl和Jonathan Jones撰寫的題為“耀眼的五星：植物抗病小體”（A pentangular plant inflammasome）的專文評(píng)述，高度評(píng)價(jià)這一重大突破性成果。

植物抗病蛋白表達(dá)在正常植物細(xì)胞內(nèi)受到嚴(yán)格的調(diào)控，且其活化會(huì)導(dǎo)致感病局部細(xì)胞組織的超敏性死亡（HR），使得植物體內(nèi)抗病蛋白介導(dǎo)的信號(hào)通路研究非常困難。植物抗病領(lǐng)域急切需要抗病蛋白的全長抑制及活化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)來整合以往海量的遺傳信息并指導(dǎo)植物抗病機(jī)制的深入研究。因此，抗病蛋白理論研究的一個(gè)巨大瓶頸在于缺乏蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這正是柴繼杰團(tuán)隊(duì)2004年成立以來的主攻方向。

但植物抗病蛋白作為多結(jié)構(gòu)域的蛋白經(jīng)常具有分子量大及構(gòu)像多變等特點(diǎn)，導(dǎo)致體外的純化重組及結(jié)構(gòu)研究非常困難。自從25年前國際上首次鑒定到抗病蛋白以來，多個(gè)國際頂尖實(shí)驗(yàn)室均未能純化出可供結(jié)構(gòu)分析的全長抗病蛋白質(zhì)。柴繼杰團(tuán)隊(duì)自2004年成立以來就開始在數(shù)量眾多的植物抗病蛋白中進(jìn)行理想研究對(duì)象的繁重篩選工作，在十幾年里的研究經(jīng)歷中數(shù)十位博士研究生在植物抗病蛋白的大量表達(dá)、高質(zhì)量純化和體外重組等方面積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)。2013年底，柴繼杰團(tuán)隊(duì)成功篩選到用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(tuán)隊(duì)在2015年發(fā)現(xiàn)了病原細(xì)菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略：病原細(xì)菌的一個(gè)致病蛋白AvrAC精準(zhǔn)破壞植物免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵組分，幫助細(xì)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(dòng)并將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。之后兩個(gè)團(tuán)隊(duì)就ZAR1抗病蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究展開緊密合作，以前在長期合作中形成的理論和實(shí)驗(yàn)體系，也為這一課題的順利合作奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)王宏偉團(tuán)隊(duì)長期致力于冷凍電鏡方法學(xué)的研究和改善，尤其在使用相位板技術(shù)解析小分子量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，因此在較短時(shí)間內(nèi)解析具有小分子量抗病蛋白非激活狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu)具有很大可能性。同時(shí)，柴繼杰團(tuán)隊(duì)近年在動(dòng)物炎癥小體結(jié)構(gòu)研究中取得了突破，由于組成炎癥小體的蛋白與植物抗病蛋白具有諸多相似性，這些研究為解析植物抗病蛋白結(jié)構(gòu)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，三個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作，以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年協(xié)作攻關(guān)，成功地解析了植物抗病蛋白抑制狀態(tài)復(fù)合物RKS1-ZAR1、識(shí)別-啟動(dòng)狀態(tài)復(fù)合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、和激活復(fù)合物 (抗病小體，resistosome)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述植物抗病蛋白的工作機(jī)理。在第一篇文章中，ZAR1通過自身多結(jié)構(gòu)域組成的分子內(nèi)互作和ADP分子介導(dǎo)的自我抑制機(jī)制被具體揭示（圖1A）；植物抗病蛋白通過識(shí)別病原菌蛋白AvrAC導(dǎo)致其核酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NBD）的構(gòu)象變化和釋放ADP分子，從而解除ZAR自抑制進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)（圖1B和1C）。

圖1 植物抗病蛋白的抑制狀態(tài)結(jié)構(gòu)（A）、識(shí)別-啟動(dòng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)（B）和啟動(dòng)機(jī)理（C）示意圖

在第二篇文章中，ZAR1被AvrAC激活后，組裝成含三個(gè)亞基共15個(gè)蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機(jī)器，植物抗病蛋白的第一個(gè)激活復(fù)合物被成功捕捉并被正式命名為“抗病小體”(resistosome) (圖2)。更為重要的是，抗病小體結(jié)構(gòu)的解析為理解其生化功能提供了線索，奠定植物控制細(xì)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(jié)構(gòu)示意圖

兩篇文章的研究成果是通過對(duì)抑制狀態(tài)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能解析，闡明了抗病蛋白由抑制狀態(tài)，經(jīng)過中間狀態(tài)，最終形成抗病小體的生化過程，合作團(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)、生化、和功能研究，揭示了抗病小體工作機(jī)制（圖3）。比如，抗病小體形成后直接在細(xì)胞質(zhì)膜上發(fā)出自殺指令，很可能是植物細(xì)胞死亡和免疫執(zhí)行者。該項(xiàng)工作填補(bǔ)了人們25年來對(duì)抗病蛋白認(rèn)知的巨大空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。

圖3 植物抗病小體工作機(jī)制示意圖

在Science雜志同期專文評(píng)述中，國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家美國科學(xué)院院士Jeffery Dangl和英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、美國科學(xué)院外籍院士Jonathan Jones對(duì)這一重大突破性成果給予高度評(píng)價(jià)：“首個(gè)抗病小體的發(fā)現(xiàn)，為植物如何控制細(xì)胞死亡和免疫提供了線索”(“The first plant resistosome structure provides clues to cell death control and immunity”)，顯著的推進(jìn)了人們對(duì)植物免疫機(jī)制的認(rèn)識(shí)(“These important findings substantially advance our understanding of plant immune mechanisms”), 打開了多個(gè)開拓性研究方向 (“open many new lines of what is sure to be ground-breaking research”)?！吨参飳W(xué)報(bào)》同時(shí)發(fā)表國際著名植物抗病專家Xin Li（李昕）等人題為“開啟防御之門：植物抗病小體”的專文評(píng)述，認(rèn)為該項(xiàng)成果“完成了植物NLR蛋白復(fù)合物的組裝、結(jié)構(gòu)和功能分析，揭示了NLR作用的關(guān)鍵分子機(jī)制，是植物免疫研究的里程碑事件”。

各種農(nóng)作物病蟲害，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了減少損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不大量施用化學(xué)農(nóng)藥，但這又對(duì)環(huán)境、人類健康、和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。在保護(hù)作物的同時(shí)，減少化學(xué)農(nóng)藥的施用，成為擺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和科學(xué)家面前的一道難題。解決這一問題的關(guān)鍵，就存在于植物細(xì)胞中：植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白。這些蛋白發(fā)現(xiàn)病菌后，迅速啟動(dòng)植物防衛(wèi)反應(yīng)，殺死病菌，從而保護(hù)植物免受侵害。利用抗病蛋白，設(shè)計(jì)新型抗病蟲育種，將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。抗病蛋白高分辨度結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的解析，將為設(shè)計(jì)抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定了核心理論基礎(chǔ)。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后王繼縱、王家與中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士生胡梅娟為第一篇論文的共同第一作者；王繼縱、胡梅娟和王家為第二篇論文的共同第一作者。柴繼杰、周儉民與王宏偉為兩篇論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院戚益軍教授、韓志富副研究員和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士生漆金鳳、王國勛博士在兩篇論文中參與了部分工作，原清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心（北京）的支持。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的大力支持。

原文檢索：

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