【文献分享】NLRs与其互作蛋白精细调控植物免疫

写在前面
最近因为上海疫情加重，我们被封在了宿舍，恰好老板发来一篇不错的综述，看过之后分享给大家。主要讲了NLRs和它的伙伴们互作来调控免疫反应，文章于2020年发表在Trends in plant science，题为"Fine-Tuning Immunity: Players and Regulators for Plant NLRs"。

1.NLR的活性被不同的结构域调控

    NLR根据其N端结构域(TIR,CC)的不同分为TNLs,CNLs,通常ETI响应会造成HR反应。ADP/ATP结合到NLR上控制NLR的关闭和开启状态。在没有病原菌的情况下，NLR通过其分子内和分子间的互作来处于自我抑制状态；当识别到效应子后，这种互作被破坏，从而引起ETI反应。

2.NLRs通过不同的策略来识别病原菌的效应子**

名词解释

• GTPases：结合和水解GTP，通常作为信号转导的分子开关。
• Guardees:效应子的直接靶点，NLRs有效地监视guardees的状态，一旦状态发生改变会激活NLRs，guardees除了作为效应子的靶点外还有其他重要的生物学功能，通常在防卫反应中发挥作用。
• Hypersensitive response (HR)： 在侵染点附近发生快速的局部细胞死亡，通常来限制病原菌的进一步入侵。
• Pseudokinases:： 和激酶高度同源缺没有激酶活性。
  NLR有直接识别和间接识别效应子这两种方式。大部分NLRs是借助一个宿主蛋白，成为guardees或decoys来间接识别效应子，直接识别效应子的很少。guardees或decoys最大的区别在于decoys没有明确的生物学功能，一旦植物中的decoy缺乏，携带效应子的菌株仍具有毒性。decoy被认为通常在祖先guardees复制后通过多样化选择而进化。ID是NLRs上识别效应子直接的结构域，通常带有ID的NLR与经典的NLR(不带ID的)组成配对的NLR来发挥作用。
  example of direct or indirect model.png

3.七类与NLR互作的蛋白**

多方总结发现，NLR通过其互作蛋白来调节或参与其介导的免疫反应。

3.1 转录调控NLR介导的免疫

    根据报道的文献来看，转录因子与NLRs互作后造成NLRs的再分布、调控NLRs入核、导致防卫反应的重编程。
    例如，大麦CNL MLA10对白粉病有抗性，其CC结构域分别与WRKY1和MYB6互作，前者抑制MLA10介导的防卫反应，后者促进MLA10介导的防卫反应。水稻的CNL Pb1 定位在胞质和细胞核，激活后与OsWRKY45在核里互作来产生抗性。
拟南芥的TNL SNC1 与多个转录因子互作。与bHLH81互作，激发免疫反应；与转录抑制因子TPR1互作来下调负调基因的表达；但bHLH81和TPR1并不互作，因此说明这是两个独立的复合物。【作图网站https://biorender.com/】
    一些TFs参与NLRs介导的免疫反应。如，bZIP类TFs AvrPiz-t interacting protein 5 (APIP5) 和piz-t互作；Golden2类TF NbGlk1和马铃薯CNL Rx互作；PIBP1分别与PigmR, Pi9, and Piz-t互作。
    转录因子和NLRs互作通常影响防卫信号，互作通常发生在核里，然后TFs或NLRs在核里积累来调节防卫基因的表达。

3.2 激酶或假激酶作为guardees或decoys

    拟南芥NLR ZAR1 通过和多个激酶或假激酶互作来识别不同病原菌的效应子。PBL2属于RLCK 第七家族，被Xanthomonas campestris pv. campestris的效应子AvrAC尿苷酰化；假激酶RKS1，和ZAR1互作，招募PBL1^UMP来激活ZAR1.cryo-EM展示出，失活形式下的ZAR1-RKS1;中间态的ZAR1-RKS1-PBL1^UMP;激活形式的ZAR1-RKS1-PBL1^UMP。ZAR1也和假激酶 ZED1互作，被Pseudomonas syringae的效应子HopZ1a(具有乙酰转移酶活性)乙酰化； SZE1和SZE12也和ZAR1互作，也在HopZ1a激发的免疫反应中；另一个假激酶ZRK3，和ZAR1互作，感知 seudomonas syringae的效应子 HopF2a。这就说明，ZAR1能够和作为decoys/guardees的激酶或假激酶互作来识别不同的效应子。
    除了ZAR1外，其他的一些NLRs也保卫激酶。MPK4磷酸化CRCK3(calmodulin-binding receptor-like cytoplasmic kinase 3)，后者与拟南芥NLR SUMM2互作，MPK4被P. syringae 效应子 HopAI1失活， 改变了CRCK3磷酸化状态和构象，从而激活了SUMM2介导的免疫反应。PBS1，RLCK 第七家族成员，和CNL RPS5互作，PBS1被蛋白酶效应子AvrPphB切割，从而激活RPS5的响应。
    总之，激酶或假激酶与NLRs的互作可以归为guard-guardees/decoys关系，并且假激酶因为没有酶活，充当了decoys的角色。激酶或假激酶被效应子以不同的方式修改，如乙酰化(ZED1/HopZ1a),尿苷酰化(PBL2/AvrAC),磷酸化(MPK4/CRCK3/HopAI1),切割(PBS1/AvrPphB)，导致了相应NLR的激活。并且目前鉴定的激酶或假激酶都是和CNLs互作，而没有TNLs。

3.3分子伴侣或共同伴侣调节NLR的稳定性

    分子伴侣在调节蛋白质折叠和降解方面发挥了重要作用。拟南芥中，不同的HSP90家族成员在不同的NLR介导的免疫反应中发挥了重要作用：HSP90.3与SNC1互作，负调SNC1的积累；HSP90.2与RPM1互作，增加RMP1的蛋白稳定性。SGT1作为分子伴侣HSP90辅助蛋白参与NLR介导的免疫，SGT1直接与茄科NLR Bs2互作，促进包括Rx和N的NLR的稳定性；SGT1还与MLA的LRR结构域互作；SGT1和SKP1、CUL1(E3 ligase)联系在一起，经由蛋白酶体途径促进NLR RPS5的降解。RAR1是另一个HSP90的辅助分子伴侣蛋白，调节一些NLR的稳定性，如MLA，RPM1.
    最近的一项研究发现，细菌效应子 HopBF1模拟HSP90的上游，来磷酸化和失活HSP90，因此阻止了NLR的激活，导致了植物防卫反应的减弱。

3.4 E3 ligase调控NLR的稳定性

    E3 ligase UBR7与烟草的TNL N互作，下调UBR7增加了N的积累，并且增加了烟草对病毒的抗性，这也就说明UBR7负调N介导的免疫。介导了N的降解。E3 ligase也可以被效应子所靶标，TMV 效应子P50和UBR7互作，释放了N来发挥抗病功能。
    大麦中，RING类型的E3 ligase MIR1通过和MLA的N端互作，介导了MLA的降解.MIR1过表达减弱了MLA介导的抗病性和HR。F-box蛋白CPR1(CPR30)，SCF复合物的成员，被报道和RPS2、SNC1互作，减少了他们的蛋白积累。大多数情况下，E3通过调节NLR的稳定性来作为免疫的负调因子。
    NLR的过度积累通常会导致不适当的激活。在没有病原菌存在时，E3 ligase 与NLR互作，让NLR保持一个较低的水平；有病原菌时，效应子破坏E3和NLR的互作，释放NLR来激活防卫反应，如P50-UBR7-N。

3.5 小G蛋白作为NLR免疫的下游成分

    马铃薯中，RanGAP2(Ran GTPase-activating protein 2)通过它的WPP结构域与Rx互作，参与Rx介导的免疫。水稻中，Pit 与Rac1在质膜上互作，激活了rac1介导的HR响应；OsRac1也许作为Pit到NADPH氧化酶的传递者，对于防卫反应的发生很重要。OsSPK1，一个鸟苷酸交换因子，和Pit互作来激活Rac1。Rac1也和NLR PID3互作，参与PID3下游反应。小G蛋白也可以和激酶或分子伴侣形成复合物来发挥作用，参与NLR介导的反应。激酶RACK1 (receptor for activated C-kinase 1) 和OsRac1、RAR1、SGT1互作，展示出与NLR互作的不同种类蛋白的联系。

3.6 配对的NLR：Sensor NLR和整合结构域

    两个不同的NLR共同介导植物的免疫反应，分为两类，一类是配对的NLRs，另一类是sensor/helper组合。配对的NLR通常是在相同的locus上临近分布，呈现出头碰头或共同一个promoter。配对的NLR包括拟南芥中的RRS1/RPS4，RRS1B/RPS4B，水稻的RGA4/RGA5，pik-1/pik-2。配对的NLRs通常形成异源复合物。在大多数配对NLRs的例子中，一个NLR拥有ID，被认为是sensor，这个ID与相应的效应子互作，另一个NLR作为经典的NLR，发挥信号转导的功能。ID大多数是WRKY结构域和激酶结构域。
    另一个方式是两个NLRs互作为“sensor”和“helper”。helper NLR通常作为sensor NLR的下游发挥作用，一个典型的例子是helper NLRs ADR1作用于sensor NLRs RPS2和RPP4下游，并且已有的例子显示，这类sensor NLRs和helper NLRs并不存在直接互作，因此NLR并不作为NLR互作蛋白的一种。另一个helper NLR例子是NRG1(N requirement gene 1)和NRC(NB-LRR protein required for HR-assiociated cell death)家族。目前鉴定的所有NLRs均为CNLs。helper NLR ADR1和NRG1更像非典型的CNLs，因为其N端结构域更像RPW8结构域。最近的研究表明，helper NLR NRG1和EDS1联系在一起，作用于EDS1和sensor TNL Roq1的下游，调节Roq1介导的免疫反应。

3.7 其他功能性的分类

    EDS1，一个脂酶类蛋白，参与一些TNLs和部分CNLs介导的免疫。EDS1直接和CNL HRT互作，几个TNLs互作，包括SNC1，RPS4，RPS6。EDS1也和结构相似的脂酶类蛋白，SAG101和PAD4互作，来参与NLR介导的免疫。EDS1也被多个效应子所靶标。
SRFR1 负调ETI，与NLR SNC1互作。SRFR1包含保守的TPR结构域，发挥转录抑制的功能。
RIN4 作为一个经典的guardees。它与RPM1和RPS2互作，被至少四种效应子所靶标，包括AvrB，AvrRpm1，AvrRps2，HopF2.大豆中的RIN4也和NLR RPG1-B互作来发挥作用。

table1-TFs.png table2-kinase/psekinase.png table3/4-chaperones/ubiquitin ligases.png table5-small GTPase.png table6-paired NLRs.png table7-unknown.png table8.png Fig1-TFs/kinases.png Fig2-chaperones/small GTPase.png

对与NLR互作的蛋白做一下总结

一些蛋白参与NLR的信号并不是以一种方式。如，多个WRKY TFs被效应子Pop2靶标；作为结构域被效应子靶标。

• 单一的NLRs与多个蛋白联系。SNC1与至少八类蛋白联系，包括bHLH84 (TF), CPR1 (F-box), EDS1 (lipase-likeprotein), TPR1 (transcriptional corepressor), SRFR1 (TPR domain-containing), MUSE13(TRAF), MUSE3 (E4 ligase), and HSP90.3 (molecular chaperone)。
  SNC1 activity.png
  图注
  In the active state, SNC1 oligomerization is required for autoimmune signaling and its oligomerization takes place in both the cytoplasm and nucleus . EDS1 interacts with SRFR1 and SNC1 in both the cytoplasm and nucleus . EDS1 also associates with the helper NLR NRG1 for NLR signaling . The nuclear pool of SNC1 is essential for defense activation and transcriptional reprogramming. In the nucleus, SNC1 interacts with the transcriptional activator bHLH84 and its homologs to induce the expression of positive regulators of immunity, whereas it associates with transcriptional repressor TPR1 to downregulate the transcription of negative regulators . To avoid autoimmunity, the protein level of SNC1 is tightly controlled through the ubiquitin-proteasome system. The F-box protein CPR1, that belongs to the SCF complex, recognizes and mediates the ubiquitination of SNC1. The SCF complex associates with the chaperone HSP90 and co-chaperone SGT1 and also with the adaptor proteins SRFR1 and MUSE13/MUSE14 for SNC1 degradation. The E4 ligase MUSE3 facilitates the polyubiquitination of SNC1 and promotes SNC1 turnover through the 26S proteasome. Some proteins in the SNC1 complex may not directly interact with SNC1.
• 单个蛋白可以和多个NLRs互作，EDS1与RPS4，RPS6，SNC1；CPR1和RPS2，SNC1.
• 单个蛋白作为不同病原菌效应子靶标的分水岭，如RIN4，被至少四种效应子靶标。
• 不同物种的同源物可能都被NLRs所保卫。拟南芥中RIN4和RPM1，RPS2；大豆中的RIN4和RPG1-B。
• 激酶和假激酶作为guardees或decoys。其他类型的NLR互作蛋白，包括 WRKY TFs, Hsp90, E3 ligase, and EDS5，也被效应子所靶向，因此有潜力作为guardees或decoys。
• helper NLR作为NLR的下游发挥作用，并且能与EDS1互作，建立NLRs和helper NLRs的联系。