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《Nature | 植物转录激活域的鉴定》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-07-19

  • 2024年7月17日，杜克大学等机构的研究人员在Nature发表了题为Identification of plant transcriptional activation domains的文章。

    拟南芥中的基因表达受 1900 多种转录因子（TFs）的调控，这些转录因子因存在保存完好的 DNA 结合域而在全基因组范围内被识别出来。激活因子 TFs 含有激活结构域（ADs），可招募辅助激活剂复合物；然而，对于几乎所有拟南芥 TFs，我们都缺乏有关其 ADs 的存在、位置和转录强度的知识。

    为了填补这一空白，该研究在这里使用酵母文库方法在整个蛋白质组范围内实验性地鉴定拟南芥的ADs，结果发现一半以上的拟南芥TFs都含有AD。研究人员注释了 1,553 个 ADs，据我们所知，其中绝大多数都是以前未知的。利用生成的数据集，研究人员开发了一个神经网络来准确预测 ADs，并识别招募辅激活剂复合物所必需的序列特征。研究人员发现了导致激活活动的六种不同的序列特征组合，为研究 ADs 的亚功能化提供了一个框架。此外，研究人员还在古老的 AUXIN RESPONSE FACTOR 家族 TFs 中发现了 ADs，揭示了 AD 定位在不同支系中是保守的。该研究的发现为理解转录激活提供了一个深层次的资源，为研究内在紊乱区域的功能提供了一个框架，并为 ADs 提供了一个预测模型。

  • 原文来源：Identification of plant transcriptional activation domains | Nature
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相关报告

  • 《Nature︱底物诱导凝聚激活植物TIR结构域蛋白》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-03-16
    • 2024年3月13日，西湖大学柴继杰教授团队与德国马克斯-普朗克研究所Paul Schulze-Lefert教授团队、中国农业大学宋文教授、北京师范大学刘莉教授团队合作在Nature上发表了题为Substrate-induced condensation activates plant TIR domain proteins的研究论文，揭示了一类植物抗病蛋白通过底物诱导的凝聚体激活的新机制，不仅对植物免疫学研究具有重要的理论价值，而且对于培育新型抗病农作物品种具有潜在的指导意义。 研究人员在研究TIR结构域蛋白生化功能的过程中，意外发现底物NAD+/ATP分子会快速诱发TIR结构域蛋白发生相分离。进一步研究发现，形成凝聚体的TIR结构域蛋白NAD+水解酶的活性被激活。因此，推测可能是底物诱导的相分离激活了TIR结构域抗病蛋白的免疫功能。接下来，研究人员在植物体内研究证实，TIR结构域抗病蛋白自身表达上调或受病原菌诱导表达上调后，会在细胞内源的NAD+/ATP分子诱导下形成凝聚体，激活NAD+水解酶活性，产生免疫信号分子，从而激发植物免疫反应并引起细胞死亡。破坏TIR凝聚体的形成会导致免疫和细胞死亡功能的丧失；重新建立TIR蛋白相分离，又会恢复免疫和细胞死亡的表型。 研究人员为了从分子层面揭示底物诱导相分离激活TIR结构域蛋白的机制，解析了TIR结构域蛋白与NAD+的复合物结构。发现NAD+结合诱导了TIR结构域蛋白上被称为BB-loop的无序区发生了构象改变，从关闭构象转变为开放构象；开放的BB-loop介导了头尾相对的TIR-TIR互作，引发相分离，并形成NAD+催化中心。有意思的是，这种TIR结构域蛋白形成凝聚体激活模式与TIR-NLR蛋白形成抗病小体激活的模式，既相似又有不同。相似的是，TIR结构域蛋白和TIR-NLR蛋白最终都形成了几乎完全一样的TIR四聚化NAD+催化单元。不同的是，TIR-NLR蛋白是通过病原菌效应因子结合诱导NBD构象改变，引起NBD寡聚化形成抗病小体，进而组装全酶催化中心；而TIR结构域蛋白虽不能结合病原菌效应因子，也缺少NBD寡聚模块，但可以通过底物NAD+/ATP结合诱导BB-loop构象改变，引起TIR自身寡聚化形成凝聚体，组装全酶催化中心，产生激活植物免疫反应的信号分子。 综上所述，该项研究揭示了植物非典型TIR结构域抗病蛋白通过底物NAD+/ATP诱导形成凝聚体激活的新机制。其具有的病原菌效应因子非依赖的自主激活特征，赋予了非典型TIR结构域抗病蛋白广泛的参与ETI、PTI所介导的免疫反应，甚至参与非生物胁迫响应的能力。该项研究也为在重要的单子叶粮食作物水稻、小麦、玉米中利用这一机制培育广谱抗病作物提供了重要线索。
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  • 《分子植物卓越中心发现植物免疫激活新机制》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-11-12
    •     近年来，病虫害频繁爆发造成作物减产和品质下降。而大量使用化学农药控制农作物病虫害，破坏生态环境，威胁人类健康。培育广谱抗病品种是保障粮食安全、发展绿色农业、维护生态环境的重要举措之一。发掘广谱持久抗病基因，揭示植物免疫激活调控广谱抗病的分子机制，是农作物抗病育种的重要理论基础。     11月8日，《科学》（Science）以“背靠背”形式在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心两项重要科研成果。中国科学院院士、分子植物卓越中心研究员何祖华团队与研究员张余团队，联合复旦大学研究员高明君团队、浙江大学教授邓一文团队完成了题为A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance的研究成果。分子植物卓越中心万里团队完成了题为Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling的研究论文。     植物免疫的本质是识别“非我”。植物免疫系统通过识别病原微生物进而激活自身的免疫反应。该系统由两道防线组成。一是通过植物细胞表面感受器识别病原菌后产生的基础抗病性（PTI），而PTI相对温和且易被病原菌分泌的毒性蛋白突破。二是在进化中植物产生第二道防线即植物细胞内感受器NLR蛋白识别病原菌分泌的毒性蛋白后引起的专化性抗性（ETI），而该防线反应强烈且能够赋予植物强抗病性。植物ETI免疫反应依赖于植物特定的NLR感受器蛋白识别特定病原菌分泌的特定毒性蛋白。当前，由于ETI的特异性，植物抗病育种和病虫害防治缺乏有效方法激活植物ETI。如何克服ETI对病原菌的特异性以及实现有效的多病原广谱抗病性成为植物免疫研究的重要课题。 前期，何祖华及合作团队发现了水稻免疫抑制基因ROD1。该基因突变引起活性氧积累，产生免疫自激活表型，提高水稻对多个病原菌如稻瘟病、白叶枯病和纹枯病的抗性。而对于ROD1抑制免疫激活的信号网络尚不清楚。该团队采用EMS化学诱变和γ射线物理诱变筛选rod1抑制子的策略，经过大规模的田间表型鉴定筛选，获得18个rod1抑制子株系。基因克隆和全基因组测序分析显示，这些抑制子分别是OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因突变。研究显示，禾本科作物的细胞内感受器OsTIR蛋白具有产生免疫小分子pRib-AMP的功能，而小分子pRib-AMP能够激活水稻OsEDS1、OsPAD4和OsADR1蛋白形成免疫复合体EPA以激发免疫反应。进一步，研究发现，水稻免疫抑制蛋白ROD1与OsTIR互作，影响OsTIR的酶活，从而抑制小分子pRib-AMP的生成，避免EPA复合体激发免疫反应，维持免疫的稳态。当病原菌侵染时，ROD1被降解，OsTIR蛋白被释放后生成小分子激活免疫复合体EPA，产生对多种病原菌的广谱抗性。该研究揭示了五组分的信号网络调控植物免疫稳态的分子机制，为培育广谱抗多种病原菌的作物新品种奠定了理论基础，提供了靶标基因。     无独有偶的是，万里团队发现了植物细胞内感受器的TIR蛋白可生成小分子2’cADPR。这类小分子作为前体在植物体内可以被转化生成pRib-AMP，从而激活EPA免疫复合体，提高植物抗病性。利用2’cADPR处理植物即可诱导类似于ETI的强抗病性，实现了在没有特定病原菌侵染的情况下人为可控地激活植物强ETI免疫反应。相对于pRib-AMP，2’cADPR性质更稳定，更适合开发为植物免疫激活剂。这为发展绿色农业提供了可以激发农作物广谱抗病性的新型“生物农药”，并能够替代化学农药，减少对生态环境的负面影响。同时，一些细菌的TIR蛋白可以产生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反应，进而该团队揭示了植物和细菌免疫通路交互的分子机理。     植物细胞内感受器TIR蛋白介导的ETI抗性是农作物抗病育种的重要靶标。因此，研究植物免疫受体及其工作机理，实现对植物免疫受体的人工定向改造，能够解决植物病害问题。上述两项成果共同揭示了在不同植物中保守的由小分子pRib-AMP和蛋白复合体EPA介导的免疫激活新机制，为植物病害防控提供了新型“生物农药”靶标。
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