iNature
2',3'-cAMP 是公认的第二信使 3',5'-cAMP 的位置异构体，但对这种非经典环核苷酸单磷酸 (cNMP) 的生物学知之甚少。含有Toll/白细胞介素-1 受体 (TIR) 结构域的核苷酸结合富亮氨酸重复 (NLR) 蛋白是激活植物免疫反应所必需，但不足以激活植物免疫反应的 NADase 功能。2022年5月20日，科隆大学/清华大学柴继杰，德国马克斯普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert及新加坡南洋理工大学吴彬共同通讯在Cell 在线发表题为“TIR domains of plant immune receptors are 2′,3′-cAMP/cGMP synthetases mediating cell death”的研究论文，该研究表明植物 TIR 蛋白除了是 NADase 外，还通过水解 RNA/DNA 充当 2',3'-cAMP/cGMP 合成酶。结构数据显示，TIR 结构域采用具有互斥 NADase 和合成酶活性的不同寡聚体。特异性破坏合成酶活性的突变消除了本氏烟草 (Nb) 中 TIR 介导的细胞死亡，支持这些 cNMP 在 TIR 信号传导中的重要作用。此外，TIR-NLR 信号转导的拟南芥负调节因子 NUDT7 显示 2',3'-cAMP/cGMP 但不显示 3',5'-cAMP/cGMP 磷酸二酯酶活性，并抑制 Nb 中 TIR 的细胞死亡活性。总之，该研究确定了一个 2',3'-cAMP/cGMP 合成酶家族，并确定了它们在植物免疫反应中的关键作用。另外，2021年5月12日，中国科学院遗传发育生物研究所，北京大学，北京师范大学，清华大学等多单位合作，周俭民，陈宇航，何康敏及柴继杰共同通讯在Cell 在线发表题为“The ZAR1 resistosome is a calcium-permeable channel triggering plant immune signaling”的研究论文，该研究采用单分子成像来显示活化的ZAR1蛋白可以在质膜中形成五聚体复合物。ZAR1抵抗小体在非洲爪蟾卵母细胞中以依赖于位于通道孔中的保守酸性残基Glu11的方式显示离子通道活性。预组装的ZAR1抵抗小体很容易掺入脂质双层中，并表现出钙可渗透的阳离子选择性通道活性。此外，该研究显示ZAR1在植物细胞中的激活导致Glu11依赖的Ca2 +涌入，亚细胞结构的扰动，活性氧的产生以及细胞死亡。因此，该研究结果支持ZAR1抵抗小体充当钙可渗透的阳离子通道，从而触发免疫力和细胞死亡（点击阅读）。
2021年3月17日，清华大学，科隆大学等多单位合作，柴继杰及Franklin Zhong共同通讯在Nature 在线发表题为”Structural and biochemical mechanisms of NLRP1 inhibition by DPP9“的研究论文，该研究提供结构和生化证据，全长的大鼠NLRP1（rNLRP1）和大鼠DPP9（rDPP9）形成2：1的复合物，其中包含自动抑制的rNLRP1分子和rNLRP1的活性UPA–CARD片段。在一起，该研究数据揭示了DPP9介导的NLRP1抑制的机制，并阐明了NLRP1炎性小体的激活（点击阅读）。
2020年12月4日，清华大学，科隆大学等多单位合作，柴继杰，Jane E. Parker及Paul Schulze-Lefert共同通讯在Science 在线发表题为“Direct pathogen-induced assembly of an NLR immune receptor complex to form a holoenzyme”的研究论文，该研究报告了RTR1受ATR1约束的冷冻电子显微镜结构。该结构揭示了一个C端jelly roll/ Ig样域（C-JID），用于特定的ATR1识别。生化和功能分析表明，ATR1与C-JID和LRR结合，以诱导烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水解酶（NADase）活性所需的RPP1四聚体组装。RPP1四聚产生两个潜在的活性位点，每个活性位点由不对称的TIR同型二聚体形成。该研究数据定义了由植物NLR导致信号传导活性全酶形成的直接效应子识别机制（点击阅读）。2019年4月4日，清华大学柴继杰课题组、中科院遗传发育所周俭民课题组和清华大学王宏伟课题联合同期背靠背发表两篇重量级Science 文章，完成了植物NLR蛋白复合物的组装、结构和功能分析，揭示了NLR作用的关键分子机制，是植物免疫研究的里程碑事件。"Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex”的研究论文。该研究通过重建了拟南芥中NLB蛋白ZAR1-RKS1和ZAR1-RKS1-PBL2UMP复合物，并分别以3.7和4.3Å的分辨率确定了它们冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，揭示了ZAR1-RKS1识别PBL2UMP和PBL2UMP激活ZAR1的机制，为理解NLR蛋白提供了结构模板！"Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity”的研究论文。该研究重建了ZAR1-RKS1-PBL2UMP-dATP活性复合体，证明了其复合体在免疫激活过程中进行寡聚化，并揭示了其激活免疫反应的机制！这两项研究在植物免疫研究领域取得历史性的重大突破，填补了人们25年来对植物抗病蛋白认知的巨大空白，将为研究其它抗病蛋白提供范本。
2',3'-环磷酸腺苷 (2',3'-cAMP) 是典型的第二信使 3',5'-cAMP 的异构体，但对非经典环核苷酸一磷酸 (cNMP) 知之甚少。直到最近才在动物和植物中鉴定出 2',3'-cAMP。2',3'-cAMP 和其他 2',3'-cNMPs 的出现现已在不同的领域中得到证实。RNases 的 mRNA 转换可以产生 2',3'-cNMPs。动物研究支持 2',3'-cNMPs 对损伤的生理作用。在拟南芥中，创伤、热和暗应激诱导细胞 2',3'-cAMP 和 2',3'-环磷酸鸟苷 (2',3'-cGMP) (2',3'-cAMP/ cGMP，除非另有定义）。2',3'-cAMP 介导应激颗粒 (SG) 的形成并模拟拟南芥中的非生物应激反应。已证实 2',3'-cNMPs 代谢为 2'-NMPs 和 3'-NMPs，表明非经典 cNMPs 的负调控。植物对微生物病原体的防御建立在两层免疫系统之上，该系统由相互依赖的病原体相关分子模式 (PAMP) 触发的免疫 (PTI) 和效应器触发的免疫 (ETI) 组成。ETI 通常由细胞内核苷酸结合 (NB) 富含亮氨酸重复 (NLR) 受体介导，该受体识别植物细胞内传递的菌株特异性病原体效应物。NLR 可大致分为两组，具有 N 端卷曲螺旋 (CC) 或 N 端 Toll/白细胞介素-1 受体 (TIR) 结构域。病原体效应物的识别诱导称为抗病小体（resistosomes）的寡聚 NLR 复合物。NLR 抗病小体的激活会诱导 ETI 反应，通常包括过敏反应 (HR)，这是一种受控的细胞死亡形式，定位于试图感染病原体的部位。dsDNA复合物中L7TIR的冷冻电镜结构（图源自Cell ）虽然 CC-NLR (CNL) ZAR1 抗病小体是 Ca2+ 可渗透的阳离子通道，但 TIR-NLR (TNLs) RPP1 和 Roq1 抗病小体作为 TIR 编码的 NADase 的全酶发挥作用。NADase 活性是激活两个免疫信号节点 EDS1-SAG101 和 EDS1-PAD4 异二聚体以及“辅助”NLR (RNL)、ADR1 和 NRG1 所必需的。一旦 TNLs 被激活，EDS1-PAD4 和 EDS1-SAG101 分别与 ADR1s 和 NRG1s 形成异质复合物，从而诱导 RNLs 的 Ca2+ 通道活性。ADR1 对一些 CNL 的防御反应也很重要。EDS1 信号传导也参与植物的非生物胁迫反应。在拟南芥中，EDS1 信号传导受 AtNUDT7、核苷二磷酸连接部分 X (Nudix) 水解酶及其最接近的同源物 AtNUDT6 的负调控，尽管其潜在机制仍然难以捉摸。除了典型的 TNL，植物基因组还编码许多仅由 TIR 结构域（TIR-only 或 TX）或 TIR-NB (TN) 组成的 TIR 蛋白。例如，拟南芥 Ag-0 中的仅 TIR 蛋白 RBA1 可触发 EDS1 依赖性免疫信号，以响应细菌病原体效应子 HopBA1。其他几个仅 TIR 基因的过表达也诱导 EDS1 依赖性信号传导，表明含有 TIR 的成员共享一个保守的信号通路来介导免疫反应。由含 TIR 的蛋白质介导的细胞死亡取决于保守的推定催化谷氨酸。TIR NADase 活性对于细胞死亡和防御激活是必不可少的，但还不够，这表明需要额外的信号成分来完全激活 TIR 介导的免疫反应。在这里，该研究表明植物 TIR 结构域蛋白通过 RNA 和可能的 DNA（RNA/DNA 除非另有定义）的水解产生 2',3'-cAMP/cGMP。核酸酶活性不足以导致 TIR 介导的细胞死亡，因为保留核酸酶和 NADase 活性但缺乏 2',3'-cAMP/cGMP 合成酶（以下简称合成酶）活性的 TIR 突变体未能在本氏烟草中引发细胞死亡。 TIR 蛋白作为双功能酶的结构基础通过冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 结构揭示了亚麻 TNL L7 (L7TIR) 的双链 DNA (dsDNA) 结合的 TIR 结构域，该结构识别亚麻锈菌效应器 AvrL567。体外合成酶活性的特异性破坏极大地抑制了 Nb 中 TIR 介导的细胞死亡，表明这种酶活性是 TIR 信号传导所必需的。此外，AtNUDT7 和卵菌病原体效应子 Avr3b 在体外作为 2',3'-cAMP/cGMP 磷酸二酯酶 (PDE) 发挥作用。此外，野生型 (WT) AtNUDT7 的共表达，但不是其催化突变体，抑制了 RBA1 介导的 Nb 细胞死亡。由于 Nudix 水解酶在所有生物体中高度保守，该研究的发现为研究植物以外的 2',3'-cNMP 提供了机会。https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00530-X
—END—
内容为【iNature】公众号原创，
转载请写明来源于【iNature】
微信加群
iNature汇集了4万名生命科学的研究人员及医生。我们组建了80个综合群（16个PI群及64个博士群），同时更具专业专门组建了相关专业群（植物，免疫，细胞，微生物，基因编辑，神经，化学，物理，心血管，肿瘤等群）。温馨提示：进群请备注一下（格式如学校+专业+姓名，如果是PI/教授，请注明是PI/教授，否则就直接默认为在读博士，谢谢）。可以先加小编微信号（iNature5），或者是长按二维码，添加小编，之后再进相关的群，非诚勿扰。
投稿、合作、转载授权事宜
请联系微信ID：13701829856 或邮箱：iNature2020@163.com
觉得本文好看，请点这里！