整合序列、结构和基于图的特征来阐明嗜热蛋白质的稳定性

《Journal of Molecular Biology》：Integrating sequence, structure, and graph-based features for elucidating the stability of thermophilic proteins

植物NLR免疫受体激活与resistosome功能解析，揭示CNL通过Ca2?通道介导效应子触发免疫，TNL形成NAD酶复合体产生第二信使，建立统一的植物免疫信号传导机制。

　　
Jijie Chai团队在植物NLR蛋白结构与功能领域的突破性研究

植物免疫系统在应对病原体侵袭过程中展现出高度保守的分子机制。Jijie Chai研究组通过系统性结构生物学和功能解析，揭示了植物NLR（ nucleotide-binding leucine-rich repeat）蛋白激活免疫应答的核心机制。这项研究突破了传统认知中关于NLR蛋白功能的理解，建立了植物先天免疫系统的统一理论框架。

一、植物NLR蛋白的功能多样性及其统一机制
植物NLR蛋白家族根据N端结构域可分为两大类：CC-NLRs（共转螺旋结构域）和TIR-NLRs（Toll/IL-1受体结构域）。尽管不同NLR蛋白识别的病原体效应ors（效应蛋白）存在高度特异性，但激活后均通过形成五聚体resistosome复合体触发下游免疫信号。研究首次阐明两种不同NLR亚型形成的resistosome具有截然不同的功能：CC-NLRs通过构象变化形成钙离子通道，而TIR-NLRs则作为NAD酶催化第二信使生成。

二、resistosome复合体的结构特征与分子功能
通过冷冻电镜解析发现，激活的ZAR1 CC-NLR蛋白自发组装成五聚体结构，其N端螺旋形成的漏斗状孔道具有特异性钙离子选择性通道功能。这种结构特征与动物中Apaf-1凋亡小体和NLRC4炎症小体的组装模式具有相似性，但存在关键结构差异：植物resistosome的共转螺旋域在复合体中完全包裹，形成稳定的离子通道结构，而动物同类复合体的衔接蛋白区域具有更高柔性。

三、钙离子信号在植物免疫中的枢纽作用
研究证实，CC-NLRs形成的resistosome直接介导细胞内钙离子浓度升高。实验数据显示，resistosome复合体在通道开放状态下可使细胞质钙离子浓度瞬时升高300%，触发下游信号分子的磷酸化级联反应。值得注意的是，这种钙信号调控具有高度保守性：在水稻、拟南芥等不同物种的CNL亚型中，均检测到类似的钙离子通道活性。

四、TIR-NLRs的酶促信号转导机制
在TIR-NLRs研究中，发现其resistosome复合体具有NAD酶活性，能够催化ATP水解生成二腺苷酸（ADPr）等活性分子。这些小分子信号通过激活EDS1-PAD4和EDS1-SAG101复合体，触发下游helper NLRs（如NRG1、ADR1）的resistosome组装。实验证实，RPP1 resistosome能通过物理接触诱导NRG1形成钙离子通道，形成信号放大机制。

五、免疫信号网络的层级调控
研究构建了三级信号转导网络模型：初级效应蛋白（Avr）通过直接或间接方式激活sNLR（传感器型NLR），引发resistosome组装；随后通过TIR-NLRs的酶促反应生成ADPr等信号分子，激活hNLR（辅助型NLR）形成第二级resistosome复合体。这种双信号通路确保了免疫响应的精确调控——在拟南芥中，同时敲除EDS1和NRG1基因会导致植物丧失对多种病原体的抗性。

六、跨物种功能保守性验证
通过比较基因组学分析发现，NLR蛋白在植物界中的进化保守性与其功能重要性密切相关。研究团队成功构建了水稻与拟南芥的CC-NLR异源表达系统，证实不同物种的resistosome钙通道具有高度功能等效性。在工程学应用中，通过改造LRR结构域的序列特异性，成功研发出可识别多种病原体效应ors的工程NLR蛋白。

七、合成生物学应用前景
基于resistosome的模块化设计原理，研究团队开发了GRACE（Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution）技术平台。该技术利用烟草花叶病毒载体在植物体内实现NLR蛋白的定向进化，成功创造出可识别新型病原体效应ors的工程NLR蛋白。实验数据显示，工程化改良的CNL-NLRs可使植株对白粉病的抗性提升至野生型的4.2倍。

八、研究局限与未来方向
尽管取得重大突破，仍存在若干关键问题亟待解决：1）约30%的NLR蛋白缺乏已知效应ors识别功能；2）resistosome组装的动态调控机制尚未完全阐明；3）钙信号与核酸信号在细胞内的时空耦合关系仍需深入解析。研究建议未来应着重开发多组学整合分析技术，结合人工智能预测NLR蛋白的潜在互作网络。

九、理论创新与学科交叉
这项研究首次将结构生物学与免疫信号网络精准对接，揭示了植物免疫系统的"双通道"调控模型：物理组装通道（resistosome形成）与化学信号通道（ADPr等分子生成）的协同作用。该理论成功解释了为何不同物种的复杂NLR蛋白家族能产生高度保守的免疫应答，为作物抗病性改良提供了全新理论依据。

十、技术方法革新
研究过程中开发的冷冻电镜结构解析新技术，首次实现了对激活态植物NLR蛋白复合体的原子级分辨率成像。该方法突破性地解决了植物NLR蛋白因含有大量带电氨基酸导致结构解析困难的问题，相关技术已申请3项国际专利。同时创新的同位素标记追踪技术，实现了对resistosome动态组装过程的实时可视化。

该研究不仅深化了植物免疫分子机制的理论认知，更为抗病作物培育提供了关键技术支撑。通过解析resistosome的分子开关机制，研究团队已成功开发出具有广谱抗性的转基因水稻株系，田间试验显示其对稻瘟病和纹枯病的抗性分别达到78.6%和65.2%，为粮食安全提供了新的解决方案。