清華大學柴繼傑研究組發表“動植物NLR免疫受體的分子結構和功能機制”綜述文章

NLR（Nucleotide binding, leucine-rich repeat receptor）蛋白是存在於動物和植物免疫系統中的胞內免疫受體，但動植物NLR在各自不同層次的免疫系統中發揮功能。動物免疫系統包括先天性免疫和獲得性免疫兩個層次，動物NLR同膜表面的TLR（Toll-like receptor）一樣，是動物先天免疫系統的受體，負責識別病原相關分子模式PAMP（pathogen-associated molecular pattern）。PAMP是不同種類的病原微生物表面所共有的高度保守的分子結構，像細菌的鞭毛蛋白、細胞壁成分脂多糖等都有的相同成分。植物免疫系統缺乏由特化的免疫細胞執行的獲得性免疫，但植物免疫系統也進化出兩道防線：第一道防線是質膜定位的模式識別受體PRR（pattern recognition receptor）識別病原菌PAMP引發的免疫反應；第二道防線就是胞內NLR免疫受體特異性識別病原物自身特有的效應蛋白effector引發的免疫反應。

自第一個NLR基因於1994年在植物中被克隆以來，人們在植物和動物中都發現了數量眾多的NLR，而高等植物NLR的數量（擬南芥151個，水稻438個）遠多於高等動物（小鼠30個，人源22個），這也反應了動植物免疫系統對NLR的依賴程度不同。20多年以來，人們對於動植物NLR功能機制和分子結構的研究取得了眾多突破性進展，特別是起步晚於植物的動物NLR，其多個代表性成員的信號通路已經趨於完善，且相關的分子結構也呈現了完美細節；而植物NLR功能機制研究長期處於病原菌特異性識別的早期信號階段（當然，特異性識別是植物NLR的功能特色，這點類似於動物的獲得性免疫），相關分子結構也一直沒有突破。直到2019年，清華大學生命科學學院柴繼傑研究組聯合中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民研究組和清華大學生命科學學院王宏偉研究組，在Science期刊同期發表了兩篇研究長文，展示了植物NLR抗病蛋白ZAR1的全部分子行為的研究結果，並且首次揭示植物抗病小體的形成和分子結構，同時對其功能進行了初步探索，在植物NLR免疫研究中一直沒有確認的激活寡聚機制和無法準確切入的細胞死亡分子機制方面取得了開創性和突破性的成果。

近期，清華大學生命科學學院柴繼傑教授和王繼縱博士在Science China Life Sciences發表了題為Molecular actions of NLR immune receptors in plants and animals的綜述文章，從分子結構的角度，具體闡述了動植物NLR在自我抑制、病原菌識別、激活寡聚和功能機制這些全部分子行為過程中的共性和差異，並對未來有關動植物NLR的研究提出思考和展望。

概括而言，動植物NLR的結構域組成包括N端不同的信號傳遞結構域和相似的中間寡聚化結構域以及C端識別結構域LRR （圖1）。

圖1 動植物NLR的分類和結構域組成

（1）在自抑制方面，動植物NLR採取相似的中間寡聚化結構域構象和結合ADP分子的機制；

（2）在病原菌識別方面，病原菌effector的結合打破植物NLR的自抑制狀態使其進入啓動狀態，但還需要核酸交換過程才能完全激活，而動物NLR在識別病原菌PAMP之後，直接進入激活狀態；

（3）在激活寡聚方面，激活後的植物NLR形成五聚化閉合盤狀的抗病小體 （resistosome） ，而激活後的動物NLR形成十或十一聚化的炎症小體 （inflammasome） ；

（4）在功能機制方面，植物抗病小體利用其N端疏水的突出漏斗狀結構介導抗病小體的膜整合，從而直接在膜上形成破壞性的孔洞或者離子泄露的通道來誘發細胞死亡和免疫響應，或者進一步通過干擾膜上其他成分來間接發揮功能，而動物炎症小體則通過招募caspase-1的前體蛋白促進其成熟，成熟的caspase-1切割gasdermin家族成員，產生活性N端片段，進而在細胞膜上形成大量破壞性的27或28聚體的孔洞而引發細胞死亡。詳細內容可參見圖2和原文。

圖2 動植物NLR的分子行為和功能機制

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-019-1687-6?slug=fulltext