Molecular Cell：揚湯止沸，不如釜底抽薪——蛋白平衡調節器精確控制植物天然免疫活性
在自然環境中，病原微生物侵染植物引起各種病害，在農業生產中常常造成農作物減產。與動物一樣，植物具有天然免疫系統，通過免疫受體蛋白感受各種病原微生物分子，並將信號傳遞給細胞內的其它蛋白激活防衛反應。免疫反應受到嚴格的控制，高效的免疫反應確保動植物抵抗病原微生物侵害，但過度免疫反應則會導致植物生長發育受阻和各種人體免疫疾病。因此，精確控制免疫反應的強度非常重要。植物天然免疫信號傳導的研究不僅能促進人們對動植物免疫學普遍規律的認識，還能指導農業生產上對病害的有效防控及作物改良。北京時間2018年1月19日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民課題組在Molecular Cell上在線發表了題為「A Regulatory Module Controlling Homeostasis of a Plant Immune Kinase」的研究論文。該研究闡述了調控植物天然免疫信號傳導核心組分BIK1蛋白穩定性的分子機理。
植物細胞表面存在大量免疫受體，識別來自病原微生物保守的分子模式，激活防衛反應。例如擬南芥模式識別受體FLS2通過識別細菌鞭毛蛋白上22個氨基酸殘基的保守序列，激活下游免疫反應【1，2】。這些受體形成了植物天然免疫的第一道防線，保障植物的健康生長發育。胞質類受體激酶BIK1通過與FLS2在內的多個免疫識別受體互作，控制下游多條免疫信號途徑的激活，在植物免疫中發揮著樞紐作用【2】。BIK1的穩定性及活性受到嚴格的調控。前期研究表明，擬南芥G蛋白和鈣離子依賴蛋白激酶CPK28能夠分別正負調控BIK1蛋白的穩定性【3，4】，但其中分子機制尚不清楚。
圖1.pub25/26突變體及PUB25過表達植株接種葡萄灰黴菌的表型。
中科院遺傳發育所周儉民課題組最新發表的Molecular Cell文章揭示了G蛋白和CPK28通過調控E3泛素連接酶PUB25和PUB26的活性來精確調節BIK1蛋白穩定性的分子機制。該研究發現E3泛素連接酶PUB25/26對BIK1蛋白進行泛素化修飾，促進其通過蛋白酶體途徑進行降解，負調控免疫反應和抗病性。遺傳分析發現pub25 pub26突變體表現出鞭毛蛋白誘導的超高活性氧爆發，對葡萄灰霉病菌和丁香假單胞菌抗性增加等免疫過度激活癥狀，相反PUB25/26的過表達植株表現出多種免疫缺陷表型，這些表型分別是由BIK1蛋白過量積累和缺少導致的。進一步研究發現，在靜息狀態下G蛋白通過抑制PUB25/26的泛素連接酶活性來維持BIK1的穩定性；而免疫激活後CPK28通過磷酸化PUB25/26來增強其泛素連接酶活性，從而加速BIK1的降解，避免過度積累活性狀態的BIK1。有意思的是，作者發現PUB25/26特異性的修飾非激活狀態BIK1，而激活後的BIK1蛋白則不被降解，這與BIK1需要激活多個下游蛋白是一致的。這一調控模式，既保證了激活狀態的BIK1能有足夠的時間發揮功能，又通過「釜底抽薪」的策略將尚未激活的BIK1降解，防止過多的BIK1轉化到激活狀態，從而實現對免疫活性的精確調控。
圖2. E3泛素連接酶PUB25/26調控BIK1蛋白穩定性的作用模型。
該研究闡明了植物免疫信號轉導核心蛋白BIK1穩定性的精確調控機制。在免疫激活前，G蛋白通過抑制PUB25/26的泛素連接酶活性來維持細胞中適量BIK1蛋白的積累，從而保證植物面臨病原菌侵染時，能夠快速激活下游信號通路。免疫激活後，CPK28蛋白被激活並迅速磷酸化PUB25/26，增強PUB25/26的泛素連接酶活性，進而加速BIK1蛋白的降解，避免過度免疫反應。這一研究向我們展示了植物免疫信號轉導調控的精妙，對於研究其它信號途徑核心因子的調控機制具有重要的借鑒意義。同時，在農作物抗病性狀改良研究中，如何平衡植物抗病性狀和產量性狀是作物改良的關鍵，這項研究對於實現農作物精確改良具有指導意義。
周儉民研究組的王金龍博士為本文的第一作者。英國The Sainsbury Laboratory的Cyril Zipfel和加拿大Queen』s University的Jacqueline Monaghan實驗室也參加了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項、以及植物基因組學國家重點實驗室的資助。
參考文獻
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