植物免疫受体NLRs的结构、生化功能与信号机制综述

作者及机构
本综述由Jizong Wang（北京大学现代农学院蛋白质与植物基因研究国家重点实验室）、Wen Song（德国科隆大学生物化学研究所/马克斯·普朗克植物育种研究所）和Jijie Chai（清华大学-北京大学联合生命科学中心）共同撰写，发表于2023年1月的《Molecular Plant》期刊（Volume 16, Pages 75–95）。

主题与背景
本文系统总结了植物核苷酸结合寡聚化结构域（Nucleotide-binding and Leucine-rich Repeat receptors, NLRs）在免疫防御中的核心作用。植物通过两类免疫受体识别病原体：位于细胞膜的模式识别受体（Pattern Recognition Receptors, PRRs）和胞内NLRs。PRRs识别病原体保守分子模式（PAMPs/DAMPs）触发PTI（Pattern-Triggered Immunity），而NLRs通过直接或间接识别病原体效应蛋白（effectors）激活ETI（Effector-Triggered Immunity）。近年来，研究发现NLRs在效应蛋白刺激下可形成多蛋白复合体“抗病小体（resistosomes）”，其信号通路最终通过钙离子（Ca²⁺）通道激活免疫反应。本文重点探讨了非经典NLR钙通道的生化机制，并总结了Ca²⁺在PRR与NLR信号交叉中的潜在作用。

主要观点与论据

1. NLR抗病小体的结构与组装机制

   • 结构特征：植物NLRs与动物NLRs同属STAND家族，包含可变N端结构域（CC或TIR）、中央核苷酸结合结构域（NOD）和C端LRR结构域。效应蛋白识别诱导NLRs寡聚化，形成抗病小体。例如，拟南芥CNL类蛋白ZAR1和小麦Sr35形成五聚体通道，而TNL类蛋白RPP1和ROQ1则形成四聚体NAD酶复合体。
     
   • 证据支持：冷冻电镜结构解析显示，ZAR1抗病小体的N端螺旋形成漏斗状结构，其带负电荷的内表面是Ca²⁺通透的关键位点（Wang et al., 2019a）；突变实验证实，破坏此结构会显著抑制免疫反应（Bi et al., 2021）。
     

2. 抗病小体的生化功能分化

   • CNLs作为Ca²⁺通道：ZAR1和Sr35抗病小体可直接嵌入质膜形成Ca²⁺通透通道，触发胞外Ca²⁺内流（Bi et al., 2021; Forderer et al., 2022）。
     
   • TNLs的NAD酶活性：TNL抗病小体（如RPP1）通过TIR结构域催化NAD⁺水解，产生小分子信号如pRib-AMP/ADP和ADPR-ATP/di-ADPR，激活EDS1-PAD4/SAG101复合物（Huang et al., 2022; Jia et al., 2022）。
     
   • 支持数据：体外酶活实验证明TIR结构域的催化谷氨酸突变会完全丧失免疫活性（Ma et al., 2020）；质谱分析鉴定出特异性小分子产物（Jia et al., 2022）。
     

3. Ca²⁺信号在植物免疫中的枢纽作用

   • PTI与ETI的共享通路：PRR激活的RLKs（如FLS2）和NLR抗病小体均通过Ca²⁺内流触发下游响应，但ETI的Ca²⁺信号更强且持久（Gao et al., 2013）。
     
   • 放大机制：Ca²⁺与ROS（活性氧）、SA（水杨酸）形成正反馈循环。例如，CPK4/5/6/11磷酸化RBOHD促进ROS爆发，而ROS又通过HPCA1-MSL3通路增强Ca²⁺信号（Fichman et al., 2022）。
     

4. TIR结构域的多功能酶活性

   • 除NAD酶活性外，植物TIR结构域（如RBA1）还能以dsRNA为底物合成2’,3’-cAMP/cGMP，通过EDS1信号放大免疫响应（Yu et al., 2022）。
     
   • 实验验证：化学合成的2’,3’-cAMP可诱导防御基因表达，而水解酶NUDT7的突变会抑制TIR介导的细胞死亡（Yu et al., 2022）。
     

意义与价值
1. 理论突破：首次阐明植物NLRs通过形成离子通道或催化小分子传递免疫信号的分子机制，填补了ETI信号转导的空白。
2. 技术启示：抗病小体结构的解析为设计新型抗病蛋白提供模板，例如改造CC结构域以增强通道活性。
3. 应用潜力：TIR催化产物的鉴定为开发植物免疫激活剂奠定基础，可能替代传统农药。

亮点总结
- 创新发现：揭示CNL抗病小体的Ca²⁺通道功能和TIR结构域的多酶活性。
- 跨物种保守性：从拟南芥到小麦的NLRs均依赖Ca²⁺信号，表明机制广泛存在。
- 方法论贡献：整合结构生物学（冷冻电镜）、生物化学（体外重建）和遗传学（突变体分析）的多学科研究范式。

其他有价值内容
- 文中讨论了PTI与ETI的协同效应（如SA通路交叉），为理解植物免疫系统的“分层防御”提供新视角。
- 提出“Ca²⁺信号特征假说”与“开关模型”的争议，指引未来研究方向（如Ca²⁺传感器特异性）。