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NLR免疫受体-纳米体融合赋予植物抗病能力

Jiorgos Kourelis,克Marchal,Sophien Kamoun

预印本发布于2021年10月24日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.10.24.465418v1

潜力巨大的Pikobodies:向即食植物抗性基因的一个巨大飞跃

选择 Marc Somssich

背景

在他的演讲中除了单基因:受体网络支撑植物免疫索菲亚·卡蒙教授指出了植物和动物免疫系统之间的一个主要区别(对任何读到这篇文章的动物研究人员来说:是的,植物确实有免疫系统):动物具有适应性免疫系统,使它们能够获得对新病原体的免疫力,并通过产生抗体来建立免疫记忆,而植物则发现自己处于与病原体的持续进化军备竞赛中,必须进化出新的受体来感知新进化的病原体效应物(1、2)

植物免疫系统被认为是一个两层系统,模式触发免疫和效应触发免疫(PTI和ETI)是紧密相连的(1、3)。PTI以质膜定位模式识别受体(PRRs)为中心,PRRs能感知细胞外病原体试图突破膜进入细胞。在第2层,ETI是一种细胞内监测系统,用于检测成功逃脱prr检测的病原体注入细胞的无毒(AVR)效应蛋白(1、2)。两种检测系统都会启动植物的防御反应,激活ETI会导致pti触发反应的放大,最终会导致受感染细胞的有控制的死亡,以保护周围的细胞(超敏感细胞死亡反应(HR),在这里讨论的新预印本中,它被用作免疫反应的主要读出器(4))(1、2)

参与ETI的受体主要是核苷酸结合富亮氨酸重复(NLR)蛋白,通常由三个结构域组成(图1):在它们的n端可以有一个卷曲线圈(CC)或Toll/白介素-1受体/R蛋白(TIR)结构域,NLR寡聚和激活免疫反应是必要的(5)。中心是一个参与效应器结合的核苷酸结合(NB)域,位于c端是一个具有自抑制功能的LRR域,参与效应器结合(5)。当然,这种规范结构也有例外,一些NLRs通过附加的集成域(ID)感知病原体效应(图1)(5)。虽然这些id通常对特定的效应体具有高度特异性,但最近由胡安·卡洛斯·德·拉·康塞普西翁(Juan Carlos de la Concepcion)领导的研究证明了它们的特异性也可以被操纵。6)。在他们的研究中,de la Concepcion等人(2019)使用了NLR Pikp的ID,并设计它绑定多个AVR-Pik效应器变体,而不仅仅是其特定的AVR-Pik效应器(6)。类似地,Liu等人(2021)设计了水稻NLR RGA5的ID,以识别其特定效应子AVR-Pib的相关变体(7)

图1植物NLR效应受体结构。典型NLR具有CC(或TIR)、NB和LRR结构域,并形成由传感器和辅助NLR组成的异源二聚体。一些非典型nlr有一个附加的ID来结合同源病原体效应蛋白。ref。4。

由于这项工作的结果,Pik NLR获得了更广泛的效应器识别轮廓(6、7)。但也许更重要的是,这些研究表明,ID是容忍操纵的,因此可能作为一个支架来设计全新的设计师效应器识别域。而且,通过改造NLR基因栈,使作物能够很容易地抵抗某个地理区域或季节常见的几种害虫,一种植物的伪适应性免疫系统有可能被创造出来。这就是方向Jiorgos Kourelis而且克Marchal(同等贡献)来自实验室Sophien Kamoun他们为植物NLR (NLR)设计了一个全新的、适应性强的(!)效应器识别领域。4)

在这个预印本

作者使用了骆驼甲抗体的最小抗原结合片段——纳米小体,针对GFP或mCherry,并将其插入到Pik-1 NLR的ID位置。如果这些nlr -纳米体融合(被称为Pikobodies)是功能性抗性蛋白,那么工程处理后的GFP/mCherry- pik -1 NLRs将在植物中对GFP或mCherry的检测引发免疫反应。但首先,作者检查了工程Pikobodies的任何自身免疫活动,而操纵nlr的Pikobodies通常是通过表达它们来实现的烟草benthamiana叶表皮细胞。触发自身免疫反应的皮科体会导致浸润部位周围的坏死病变,导致局部细胞死亡。一些设计的Pikobodies没有显示出这样的自身免疫反应,因此被选择进行进一步的分析。

这些具有潜在功能的Pikobody包括Pikobody(增强剂)识别GFP和Pikobody(LaM-4)承认mCherry。然后,作者将这些蛋白与GFP和mCherry蛋白共同表达,以观察pikobody是否识别各自的目标蛋白。事实上,共同表达Pikobody (增强剂)与GFP共表达导致细胞死亡,而与mCherry共表达无影响。另一方面,表达Pikobody (LaM-4)mCherry表达只导致细胞死亡,而GFP表达不导致细胞死亡。为了观察这些pikobody是否也会对病原体的实际感染产生反应,作者感染了病毒n benthamiana叶用a表达不同的pikobody绿色荧光蛋白——或者mCherry同样,Pikobodies似乎能够识别它们预期的靶蛋白,并似乎提供了抵抗病毒感染的保护。

最后,作者检查了他们的pikobody是否与基因堆叠兼容。如果将来Pikobodies被用来提供即时有序抗性(R)基因,那么理想情况下,农作物就会受到多种病原体的保护,这就需要引入一个以上的R基因(即一堆基因)。8)。为了测试pikobody对R基因堆叠的相容性,作者进行了共转化n benthamiana叶表皮细胞具其Pikobody(增强)或(LaM-4),结合野生型Pik NLRs,或者两者Pikobodies(增强)和(LaM-4)这表明,这种共同表达确实导致了对两种不同的识别效应的免疫反应。

视角

这份预印本中的工作是一项了不起的概念证明研究,证明Pikobodies具有提供随时待命的R基因抗击几乎任何病原体的潜力。正如作者在他们的最后一幅图(图2)中概述的那样,该方法简单而直接:分离病原体效应物并用于免疫骆驼(通常使用美洲驼或羊驼,Sophien Kamoun明确指出社交媒体他更喜欢骆驼)。然后,camelid产生的抗(纳米)体被分离并集成到Pik nlr支架的ID中。最后,将得到的Pikobody nlr引入植物中,提供对一种或多种病原体的抗性

图2:生产pikobody的管道(从左上角开始逆时针方向)。改编自参考文献4

实现这一目标的下一步很明确:首先,必须证明Pikobodies在稳定转化的植物中发挥作用,这是第一步拟南芥然后在实际的作物植株上,这种抗性必须持续几代。然后,当然,必须生产出含有纳米体的pikobody来对抗实际的病原体效应物;小麦、稻瘟病或马铃薯晚疫病的效应因子是将首先测试的一些主要候选因子。这样的pikobody将在作物中以R基因栈的形式表达,并有望提供对这些病原体的抗性。

如果这一概念在农作物中确实有效,它将成为农业部门的一场革命。

引用:

  1. Jones JDG, Dangl JL。植物免疫系统。自然2006;444: 323 - 9。可以在doi: 10.1038 / nature05286
  2. Kamoun年代。NLR受体网络:填补进化和机制研究之间的空白。Zenodo2021;: 5504058。可以在doi: 10.5281 / zenodo.5504058
  3. 吴BPM,安H,丁鹏,Jones JDG。细胞表面和细胞内受体对植物免疫的相互增强作用。自然施普林格我们2021;可以在doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 03315 - 7
  4. 库雷利斯J,马绍尔C,卡蒙S。NLR免疫受体-纳米体融合赋予植物抗病能力。bioRxiv2021;: 465418。可以在doi: 10.1101 / 2021.10.24.465418
  5. 吴晨,丁鹏。植物和动物细胞内守卫者的比较综述:先天免疫及其以外的NLRs。安努Rev植物生物2021;72: annurev - arplant - 080620 - 104948。可以在doi: 10.1146 / annurev - arplant - 080620 - 104948
  6. De la Concepcion JC, Franceschetti M, MacLean D, Terauchi R, Kamoun S, Banfield MJ。蛋白质工程扩展了水稻NLR免疫受体的效应子识别特性。Elife2019;8: -。可以在doi: 10.7554 / eLife.47713
  7. 刘勇,张旭,袁刚,王东,郑勇,马敏,等。设计了一种水稻NLR免疫受体,使其对携带非相应无毒效应物的稻瘟病菌产生抗性。美国国家科学院2021;118: e2110751118。可以在doi: 10.1073 / pnas.2110751118
  8. 李志强,李志强,李志强,李志强,等,Román ML。将3个来自野生物种的抗晚疫病基因直接叠加到非洲高原马铃薯品种中,可获得对当地品种的完全田间抗性。生物科技植物》J2018;: 1 - 11。可以在doi: 10.1111 / pbi.13042

标签:抗体无毒性生物工程效果器若是遇到nanobodies植物免疫r基因

发布日期:2021年11月4日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.30993

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