清华大学柴继杰研究组发表“动植物NLR免疫受体的分子结构和功能机制”综述文章学术资讯

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NLR（Nucleotide binding, leucine-rich repeat receptor）蛋白是存在于动物和植物免疫系统中的胞内免疫受体，但动植物NLR在各自不同层次的免疫系统中发挥功能。动物免疫系统包括先天性免疫和获得性免疫两个层次，动物NLR同膜表面的TLR（Toll-like receptor）一样，是动物先天免疫系统的受体，负责识别病原相关分子模式PAMP（pathogen-associated molecular pattern）。PAMP是不同种类的病原微生物表面所共有的高度保守的分子结构，像细菌的鞭毛蛋白、细胞壁成分脂多糖等都有的相同成分。植物免疫系统缺乏由特化的免疫细胞执行的获得性免疫，但植物免疫系统也进化出两道防线：第一道防线是质膜定位的模式识别受体PRR（pattern recognition receptor）识别病原菌PAMP引发的免疫反应；第二道防线就是胞内NLR免疫受体特异性识别病原物自身特有的效应蛋白effector引发的免疫反应。

自第一个NLR基因于1994年在植物中被克隆以来，人们在植物和动物中都发现了数量众多的NLR，而高等植物NLR的数量（拟南芥151个，水稻438个）远多于高等动物（小鼠30个，人源22个），这也反应了动植物免疫系统对NLR的依赖程度不同。20多年以来，人们对于动植物NLR功能机制和分子结构的研究取得了众多突破性进展，特别是起步晚于植物的动物NLR，其多个代表性成员的信号通路已经趋于完善，且相关的分子结构也呈现了完美细节；而植物NLR功能机制研究长期处于病原菌特异性识别的早期信号阶段（当然，特异性识别是植物NLR的功能特色，这点类似于动物的获得性免疫），相关分子结构也一直没有突破。直到2019年，清华大学生命科学学院柴继杰研究组联合中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究组和清华大学生命科学学院王宏伟研究组，在Science期刊同期发表了两篇研究长文，展示了植物NLR抗病蛋白ZAR1的全部分子行为的研究结果，并且首次揭示植物抗病小体的形成和分子结构，同时对其功能进行了初步探索，在植物NLR免疫研究中一直没有确认的激活寡聚机制和无法准确切入的细胞死亡分子机制方面取得了开创性和突破性的成果。

近期，清华大学生命科学学院柴继杰教授和王继纵博士在Science China Life Sciences发表了题为Molecular actions of NLR immune receptors in plants and animals的综述文章，从分子结构的角度，具体阐述了动植物NLR在自我抑制、病原菌识别、激活寡聚和功能机制这些全部分子行为过程中的共性和差异，并对未来有关动植物NLR的研究提出思考和展望。

概括而言，动植物NLR的结构域组成包括N端不同的信号传递结构域和相似的中间寡聚化结构域以及C端识别结构域LRR （图1）。

图1 动植物NLR的分类和结构域组成

（1）在自抑制方面，动植物NLR采取相似的中间寡聚化结构域构象和结合ADP分子的机制；（2）在病原菌识别方面，病原菌effector的结合打破植物NLR的自抑制状态使其进入启动状态，但还需要核酸交换过程才能完全激活，而动物NLR在识别病原菌PAMP之后，直接进入激活状态；（3）在激活寡聚方面，激活后的植物NLR形成五聚化闭合盘状的抗病小体（resistosome），而激活后的动物NLR形成十或十一聚化的炎症小体（inflammasome）；（4）在功能机制方面，植物抗病小体利用其N端疏水的突出漏斗状结构介导抗病小体的膜整合，从而直接在膜上形成破坏性的孔洞或者离子泄露的通道来诱发细胞死亡和免疫响应，或者进一步通过干扰膜上其他成分来间接发挥功能，而动物炎症小体则通过招募caspase-1的前体蛋白促进其成熟，成熟的caspase-1切割gasdermin家族成员，产生活性N端片段，进而在细胞膜上形成大量破坏性的27或28聚体的孔洞而引发细胞死亡。详细内容可参见图2和原文。

图2 动植物NLR的分子行为和功能机制

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