综述:这种原材料及其受体NPR1的研究进展
作者:admin 发布时间:2021-01-31 15:20
2021年1月25日,Plant Cell and Environment期刊在线发表了江苏大学国际基因组学研究中心陈坚课题组与江苏省农业科学院植物保护研究所刘凤权、陈欢等课题组题为“More stories to tell: NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES1, a salicylic acid receptor”的综述文章,总结和讨论了水杨酸SA及其受体NPR1在植物免疫中的作用,概述了近期在SA感知与信号传递方面的研究突破,同时重点并全面介绍了NPR1的转录和翻译后调控机制。
 
1. 背景介绍
自然界中生存的植物为应对病原微生物威胁,已演化出复杂多层且精妙的免疫系统加以对抗,其中包括固有/天然免疫和获得性免疫。众所周知,植物固有免疫系统主要依靠两大病原物识别机制:PAMP触发的免疫(PTI)和效应因子触发的免疫(ETI)。除了在感染部位诱导防御响应外,PTI和ETI的一个共同特征是能够诱发全身防御反应的激活,即系统获得性抗性(SAR)。
2. SA与其受体NPR1在植物免疫中的功能
SAR与激素水杨酸(SA)在感染部位和全身组织的水平增加相关。SA的积累能够诱导病程相关基因(PR)的表达,其中包括一些编码具有抗菌活性的蛋白质的基因。研究发现,SA从局部组织到远端组织的转运对于SAR必不可少,近期研究表明该转运受已侵染组织水势的控制[1]。此外,哌啶酸(Pip)催化产物N-羟基哌啶酸(NHP)同样可作为SAR移动信号(图1)。SA及其受体NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES1(NPR1)正调控Pip的生物合成,反之,Pip可诱导SA合成基因表达以及NPR1蛋白水平的增加,这表明SA和Pip信号之间存在放大回路以优化植物免疫反应[2]。
SA生物合成与NPR1介导的SA信号途径正调控PTI免疫反应,而在ETI免疫反应中,SA扮演着双重角色。一方面,SA通过诱导多个NLR基因的表达来放大ETI信号以介导植物免疫;另一方面,NPR1介导的SA信号通路对ETI中的细胞死亡具有抑制作用。机制研究发现,细胞质中的NPR1通过SA诱导形成NPR1凝聚物(SINCs)来靶向泛素化和降解底物,从而促使细胞存活(图2)。然而,SA诱导的SINCs装配是如何启动的仍需进一步探索。
 
 
3. SA受体NPR1、NPR3和NPR4的不同功能
NPR1与NPR3、NPR4虽均为SA受体,但NPR1与SA的亲和力却明显弱于后两者。NPR4蛋白序列及结构解析表明,NPR4蛋白C端是SA结合核心(SBC)区域,SA结合位点位于NPR4 SBC四螺旋束的锥形末端,且SA的结合参与NPR4 SBC的构象重塑[3]。该结合结构机制的解析为植物免疫工程提供了新方向。NPR1作为转录激活因子,促进SA诱导的防御基因的表达以及SA介导的植物免疫,而NPR3 和NPR4在植物防御中发挥负调控作用。NPR3与NPR4不仅介导NPR1蛋白的降解[4],而且作为冗余转录共抑制因子压制防御基因的表达。
 
4. NPR1基因的转录调控
NPR1启动子上因含有W-box基序,因此可以被WRKY家族蛋白结合并转录调控。同时,NPR1能够通过与周期蛋白依赖激酶8(CDK8)互作,招募RNA聚合酶II至NPR1启动子,从而启动自身基因的表达[5]。
 
5. NPR1蛋白的翻译后修饰
5.1 NPR1的构象变化
SA不仅诱导NPR1基因的表达,而且促进NPR1的构象变化,促使NPR1易位到细胞核。在非诱导条件下,NPR1通过分子间二硫键形成低聚物;一旦响应SAR诱导,细胞还原电位发生两相变化,导致NPR1从低聚形式还原为单体形式。单体NPR1在细胞核中积累,激活防御基因的表达。NPR1构象的变化受S-亚硝基化和硫氧还蛋白的调控。
 
 
5.2 NPR1的磷酸化
磷酸化修饰也可影响NPR1的核输入以及SAR响应,SnRK2.8激酶磷酸化就是其中之一。SnRK3亚家族PKS5激酶以及MAPK激酶MPK1同样可与NPR1互作并使其磷酸化,且MPK1还可介导NPR1单体化[6],接下来需要进一步研究PKS5和MPK1磷酸化NPR1的机制。
 
5.3 NPR1的泛素化与去泛素化
NPR1的活性受翻译后降解的严格调控。ABA通过26S蛋白酶体途径促进NPR1的降解,而SA可以通过磷酸化保护NPR1免受ABA促使的降解。26S蛋白酶体复合物通过E3连接酶CUL3和E4连接酶UBE4的顺序多泛素化过程介导NPR1蛋白的周转。CUL3介导的初始泛素修饰使靶基因表达达到最大水平,而由UBE4介导的NPR1的长链多聚泛素化促进其蛋白酶体介导的降解,并使靶基因表达失活[7]。
 
5.4 NPR1的糖基化
NPR1的活性也受糖基化修饰调控。在无SA积累的情况下,NPR1的Ser55/Ser59位点发生磷酸化,阻断其糖基化并促使与转录抑制因子WRKY70互作,以抑制PR1基因的表达;一旦受SA诱导,Ser55/Ser59位点去磷酸化,糖基化的NPR1通过与TGA转录激活因子互作来激活防御基因的表达。因此,糖基化和磷酸化的相互作用精细调控着NPR1活性并决定了NPR1的命运。
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