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NPR1是植物激素水楊酸SA的受體，對植物抵抗病原體入侵非常關鍵，然而具體的分子機制并不清楚。杜克大學董欣年教授圍繞水楊酸介導的信號通路在植物免疫領域深耕多年，并做出了許多杰出工作。近來強勢發(fā)力，將冷凍電鏡技術和X-射線晶體學手段強勢結合，和合作者解析了NPR1與轉錄因子的結構，解釋了NPR1激活植物免疫的分子基礎，利用結構生物學手段助力了潛在的農(nóng)業(yè)應用。

當植物遭受病原體攻擊時，NPR1蛋白會介入植物的免疫反應。科學家們現(xiàn)在已經(jīng)弄清楚了這種蛋白質的樣子以及它的工作原理，這可能給農(nóng)業(yè)帶來了一大福音。

生物學家董欣年教授說，她今年最好的圣誕禮物來自“一通電話”。這通電話來自她在杜克大學的老友周沛教授，他帶來了期待已久的消息：植物蛋白NPR1的結構終于完成了解析。

作為霍華德休斯醫(yī)學研究所的研究員，董欣年在25年前發(fā)現(xiàn)了NPR1。該蛋白在幫助開花植物抵御大部分的病原體方面起著關鍵作用。如今，NPR1被廣泛認為是一個主要調(diào)節(jié)蛋白，控制著2000多個參與植物免疫的基因。

盡管NPR1在植物的防御機制中發(fā)揮著巨大作用，但它的結構處于長期的未知狀態(tài)，并一直困擾著該領域的研究人員。周沛認為，如果沒有詳細的結構數(shù)據(jù)，科學家們很難理解這種蛋白質是如何參與并調(diào)控植物防御，NPR1如何在分子水平上工作的研究工作非常關鍵，也很缺失。

周沛和董欣年的團隊成功彌補了這一空白領域，并在一項新研究中揭示了NPR1的結構和功能，這一研究結果可能改變植物種植的模式。研究小組于2022年5月11日在《自然》雜志上發(fā)表了植物界模式蛋白-擬南芥的NPR1的結構。

對董欣年來說，這篇論文可以給一項持續(xù)數(shù)十年科研探索工作的畫上完美句號的。她說：“當我第一次看到NPR1的結構時，它讓我窒息。它看起來就像一只滑翔的鳥，非常漂亮?！?/p>

生存與抗爭

人類自種植農(nóng)作物以來，不得不與影響植物生長的眾多害蟲和病原體作斗爭。例如，臭名昭著的疫霉菌曾是馬鈴薯晚疫病流行引發(fā)“愛爾蘭大饑荒”的元兇，間接導致了一百萬的死亡和兩百萬的難民產(chǎn)生。董說：“與病原體的斗爭是艱難而長期的，但這就是我們所生存的世界。"今天，病原體繼續(xù)攻擊著香蕉、牛油果和一些其他常見作物。但是依靠傳統(tǒng)的方法并不能解決這些問題。比如化學殺蟲劑往往面臨著環(huán)境毒性的問題。植物育種者目前正在另辟蹊徑，尋找基于基因的解決方案，比如通過工程設計使植物細胞產(chǎn)生高水平的NPR1。這種方法在實驗室和一些田間試驗中已被證明可行，但同時也出現(xiàn)了一些問題：比如植物的免疫力雖然增強，但植物的生物生長卻受限制。英國諾里奇塞恩斯伯里實驗室(TSL)的植物生物學家喬納森·瓊斯認為，對NPR1的結構和功能的新研究可以幫助研究人員解決這個問題，并設計出更好的作物。了解這種蛋白質如何工作以及與其他分子的相互作用，對于增強植物的抗病能力意義重大。

展翅翱翔

周沛和董欣年的研究小組使用X射線晶體學和冷凍電鏡（cryo-EM）方法解析了NPR1的結構。結構生物學家柴繼杰說，多年來許多實驗室都嘗試過解析NPR1的結構，但都失敗了，因為NPR1是出了名的難以純化。該團隊的成功秘訣之一在于一些結構解析技術的互補使用。冷凍電鏡為研究人員提供了NPR1的初步結構，這為如何設計蛋白質以成功進行晶體學研究提供了關鍵的見解。并從而產(chǎn)出了NPR1及其關鍵功能區(qū)域的高分辨率圖像。雖然以前的研究提供了對NPR1的部分結構解析，但沒有一項是像這篇新論文所報告的那樣全面的"，Jones說。新的圖像顯示，兩個NPR1蛋白聚集在一起，形成一個類似于鳥類展開翅膀的結構。在翼尖，NPR1與細胞核中的分子結合，開啟植物免疫基因。董欣年說：結構最終得以揭示，四年的實驗投入是非常值得的?，F(xiàn)在，董欣年的團隊想弄清楚病原體感染后如何NPR1如何與之相互作用并折疊成一個新的形狀。董欣年說：“這項研究解決了許多長期以來很困惑的問題，而且還指出了一些新的研究方向，這是最激動人心的時刻?！?/p>

相關文獻

NPR1是植物免疫信號調(diào)控網(wǎng)絡中由水楊酸誘導的防御基因轉錄的重要調(diào)節(jié)因子。盡管NPR1在植物免疫中具有重要作用，但由于缺乏結構信息，對其調(diào)控機制的理解一直受到阻礙。這里我們報告了擬南芥NPR1及其與轉錄因子TGA3的復合體的冷凍電鏡及晶體結構。冷凍電鏡結構解析顯示，NPR1形成鳥類展開翅膀的同源二聚體：包括一個中央的Broad-complex、Tramtrack和Bric-à-brac（BTB）結構域、一個BTB和羧基端Kelch螺旋束、四個錨蛋白重復序列和一個無序的水楊酸結合結構域。晶體結構分析顯示，BTB中有一個獨特的鋅指模體，用于與錨蛋白重復序列相互作用并介導NPR1的寡聚。我們發(fā)現(xiàn)，在受到刺激后，水楊酸誘導的水楊酸結合結構域與(ankyrin repeats)錨蛋白重復序列的折疊和對接對NPR1發(fā)揮轉錄輔助因子活性所必需的，為水楊酸在調(diào)節(jié)NPR1依賴的基因表達中的直接作用提供了結構上的解釋。此外，我們的TGA32-NPR12-TGA32復合物的結構、DNA結合試驗和遺傳數(shù)據(jù)表明，二聚體NPR1通過連接兩個脂肪酸結合的TGA3二聚體形成一個復合物來激活轉錄。NPR1-TGA復合物的逐步組裝表明可能與其他轉錄因子形成異構體復合物，揭示了NPR1如何重編程防御轉錄組。

轉載自Nature

"Structural basis of NPR1 in activating plant immunity"

水木未來·視界丨iss. 17