曹務強 BioArt植物
作為植物特異性免疫系統的受體，NLR（Nucleotide-binding domain and Leucine-rich Repeat）蛋白具有識別病原生物的重要作用。NLR通過直接或者間接的方式識別病原菌分泌的效應因子（effector），激活植物的第二層免疫系統，抵禦病原菌的侵染。現在的研究結果顯示，雖然要應對成千上萬種病原生物，植物NLR蛋白的結構卻大同小異。頗有種“敵軍圍困萬千重，我自巋然不動”的豪情與霸氣。今天，我們就一起看一下面對病原菌“千軍萬馬”的圍追堵截，NLR到底是如何以“不變”應萬變的。
和我們寫論文的“三段論”相似，經典的NLR結構也包括三個部分：一個可變N端結構域，一個中間的NB-ARC（Nucleotide-Binding adaptor shared by Apaf1, certain R genes and CED4）結構域，以及一個C端的LRR（leucine-rich-repeat）結構域。
NLR蛋白的結構組成和分類【13】NLR的N端結構域雖然可變，但根據它們的蛋白序列和已知蛋白的相似性，一般也隻被分為兩類：TIR（Toll-interleukin-1 receptor）和CC（coiled-coil）。根據N端結構域的不同，NLR被分為兩大類：N端為TIR結構域的被稱為TNL，N端為CC結構域的被稱為CNL【1】。有意思的是，雙子葉和單子葉植物基因組中都編碼CNL，而單子葉植物中卻沒有TNL【2】。至於這其中又蘊藏著怎樣的奧秘，我們會專門介紹。
一些研究表明，將NLR的N端結構域刪除，便不能誘發植物免疫；而單獨表達一些NLR的N端結構域，就足以引起HR反應。因此，人們認為NLR的N端結構域具有激發以及向下遊傳遞免疫信號的作用【3】。另外，TIR和CC結構域都可發生寡聚化，被認為在NLR的激活過程中發揮重要作用。事實上，當識別effector後，整個NLR蛋白都可發生寡聚化，比如擬南芥中的RPP1【4】，以及煙草的N蛋白【5】。N端的TIR和CC結構域可能在NLR的寡聚化及激活過程中發揮重要作用。
NB-ARC是一個比較大的結構域，又可被分為3個亞結構域：NB，ARC1和ARC2。NB意為核苷酸結合（Nucleotide Binding），ARC是由於該結構域出現在Apaf-1，R蛋白， 和 CED-4中而得名。NB-ARC結構域具有結合核苷酸（ATP/ADP），交換或水解核苷酸的活性。NB-ARC蛋白組成瞭STAND超傢族（signal transduction ATPases with numerous domains）下的一個亞傢族，該傢族成員一般行使分子開關的功能，參與到免疫系統、細胞凋亡以及轉錄調控等多種生命過程【6】。
NB-ARC結構域和不同的核苷酸（ADP/ATP）結合會使NLR蛋白處於不同的狀態。一般認為，和ADP結合的NLR蛋白處於關閉或失活狀態，而和ATP的結合會促進NLR蛋白的構象發生改變，轉變成開放或激活狀態。NLR激活後會向下遊傳遞信號，啟動植物的免疫系統。而NLR對effector的識別（直接或間接）會促進NB-ARC釋放ADP結合ATP。這就是NLR在植物免疫過程中的“分子開關”模型【7】。NB-ARC結構域和不同核苷酸結合的特性是這種“分子開關”模型的結構基礎。另外，還有一些研究表明，NB-ARC結構域還具有另外的信號轉導功能。例如，將馬鈴薯NLR蛋白Rx的NB結構域單獨在煙草葉片中瞬時表達，就足以引起HR反應，說明Rx的NB結構域具有激活下遊免疫信號的功能【8】。
NLR蛋白的“分子開關”模型【14】
LRR是由於該結構域中具有多個串聯的富含亮氨酸的重復序列而得名。LRR結構域通過分子內或分子間互作，調節NLR的活性。一些研究表明，LRR結構域對NLR的活性起負調控的作用。將擬南芥NLR蛋白RPS2，RPS5以及RPP1A的LRR結構域刪除會激活免疫反應。類似地，將馬鈴薯的R蛋白Rx中的LRR截去會增強HR反應。進一步研究發現，Rx的LRR可能通過和NB-ARC互作，抑制Rx的活性【9】。但是，另外一些研究卻表明，LRR還可以正調節NLR的活性。馬鈴薯Rx的自激活突變會導致在沒有病原菌的情況下出現HR反應，而將其LRR刪除後HR反應被抑制【10】。另外，Rx對馬鈴薯病毒X外殼蛋白的響應依賴於其LRR【11】。在擬南芥中，R蛋白RPS5 LRR結構域中一個氨基酸的變異就可引起該蛋白的功能缺失。這些結果都表明，LRR是NLR激活免疫反應所必需的。除此之外，許多研究還表明，LRR結構域還會影響NLR蛋白對病原菌識別的特異性【12】。因此，在NLR調節植物免疫的過程中，LRR結構域具有多種作用。
NLR蛋白的“三段式結構”看似千篇一律，但它們之間卻能完美配合，形成一個精妙的“分子開關”， 使植物能夠識別病原生物的侵染，並做出合適的免疫反應。NLR的 “分子開關”模型構成瞭植物特異性免疫系統的基礎。但是，面對成千上萬種病原生物的侵染，NLR也並不是一成不變。其實，NLR也有“孫悟空七十二變”般的本領，以應對千變萬化的病原菌。正所謂“什麼魔法狠毒，自有招數神奇。八十一難攔路，七十二變制敵”。
NLR蛋白到底有哪些千變萬化的本領呢？請繼續關註我們的推送。
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