植物NLRs进化:从自然史到精准修饰 学术资讯
1.1 植物细胞的免疫感知
病原体分泌到植物细胞的分子称为效应子，其功能是促进病原入侵，抑制植物免疫。
NLRs 根据 N 端结构域和 NB-ARC 进化史分为三类: TIR-NLRs ( TNLs )、 CC-NLRs ( CNLs )、 RPW8-NLRs ( RNLs )(图 1a ) (113) 。
NLRs 可以直接结合并识别效应子 (46; 62) ，或间接地识别植物成分修饰 (129; 150) 。
NLRs 可分为两个功能类群:参与病原识别的直接 / 间接传感器 NLRs 、参与免疫激活的辅助 NLRs(65) 。
在传感器 NLRs 下游起作用的 RNLs 辅助因子包括 ADR1 和 NRG1 ，它们对抗性和细胞死亡至关重要 (25; 71; 102; 143) 。
而保守的结构域和进化树表明 NLRs 激活的关键步骤是 ADP 转化为 ATP 后 NB-ARC 结构域的多聚化。
拟南芥 ZAR1 是一种间接感应 NLRs ，它的低温电子显微镜结构证明这两种状态，并存在第三种中间状态 (133; 134) 。
配体结合 / 修饰如何影响 NB-ARC 结构域状态有待研究。
然而，在另一个基于平衡的分子开关模型中，病原效应子对 NLRs 的 ADP 结合态没有显著的结合亲和力 (15) 。
目前还没有 TNL 配合物结构的报道，基于 NB-ARC 结构域的低聚化，可以推测它是类似的轮状结构。
NLRs 的激活诱导下游反应，最终导致局部细胞死亡。
一些 CNLs 基因的作用依赖于 NDR1 基因 (1; 27) ，一种质膜蛋白。
2 NLRs 的进化基因组
RNLs 、 TNLs 和 CNLs 的拷贝数因植物而异(图 1a )。
TNLs 有两个分支，即 TIR1 和 TIR2(105) 。
根据进化中保留的氨基酸基序， CNLs 被分为至少 4 个类群 (139) 。
NLRs 的进化历史背景下(图 1a )，很明显传感器和辅助因子进化了多次。
2.2 特定谱系分化枝的扩张和收缩
如何在较短的进化时间内实现 NLRs 的扩张或收缩
然而，基因复制并不足以产生新的病原体识别蛋白。
携带 ID ( Intergrated domain )的 NLRs 具有新的识别特性 (28; 70; 105) 。
快速产生新的识别特异性的代价自身免疫 (19; 32) 。
NLRs 辅助因子可以形成自己的功能网络。
蛋白 - 蛋白互作是否仅存在于配对的 NLRs 中，是否在辅助因子网络的形成过程中丢失，仍有待确定。
图 1 NLRs 在开花植物中的进化和功能。
( a )基于 NB-ARC 区域的 7133 个 NLRs 的系统发育来自 11 个双子叶植物(绿色)、 7 个单子叶植物(黄色)和 1 个苔藓植物(红色) (11) ， NLRs 的主要类别包括 RNLs (浅紫色)、 TNLs (中紫色)、 CNLs (深紫色)，蓝色基因表传感器、灰色基因表辅助因子，单子叶植物包括水稻、高粱、小麦、斜麦、大麦、玉米、短轴草，双子叶植物包括拟南芥、蒺藜苜蓿、马铃薯、番茄、葡萄、大豆、苹果、碧桃、巨桉、野草莓、毛果杨，苔藓为小立碗藓。
3 、 NLR 生物学趋同进化的模式
传感器免疫受体对其他受体的依赖不是植物所特有的。
结合配体的受体激酶 FLS2 和 BRI1 在功能上起传感器作用，依赖于与受体 BAK1 的物理相互作用来进行复杂的激活和下游信号传导 (35; 93) 。
3.2 小 RNA 对 NLRs 的调控
miRNAs 对 NLRs 的调控与小 RNA ( sRNAs )对快速增殖的遗传元件(转座元件 TEs )的调控相似。
启动子元件插入 TEs 对 NLRs 的调控具有重要作用(图 2b )。
在水稻中，在 NLR 基因 PigmS 的启动子中插入微型反向重复转座因子，可以限制其在花粉中表达，并通过 RdDM 沉默 PigmS 转录 (41) 。
3.3 与哺乳动物的细胞内免疫的相似性
NLRs 的独立进化特征不仅在植物谱系中明显，在生物界中也是明显的。
植物 NLRs 结构生物学的最新突破是解决 ZAR1 及其辅助因子 RKS1 和 PBL2 激酶的活性寡聚复合体的结构 (133) 。
其次，是否所有的传感器都是抗病小体，或者抗病小体的组成是否各不相同
植物和哺乳动物细胞死亡程序的相似性超过抗病小体与炎性小体的结构相似性。
结构分析显示，哺乳动物神经细胞死亡蛋白 SARM1 和植物 TIRs 的 TIR 结构域有一个保守的底物结合位点 (59) 。
最后，抗病小体的结构是否代表其功能活性状态
我们可以从 NLR 进化模式中学到什么
图 2 NLR 的生物学趋同进化模式。
( a )传感器 / 辅助因子网络，传感器 NLRs 参与识别病原体入侵，辅助因子执行免疫信号，它们在网络中相互作用。
4 、 NLR 等位基因工程的最新进展
4.1 NLR 嵌合体定义效应子结合区域，并允许在等位 NLRs 之间识别转移
4.2 引入新的效应子底物序列到植物蛋白
因此，这种方法可能需要额外的优化和蛋白质工程来产生抗性。
4.3 引入氨基酸变化来修饰效应子识别特异性
2014 年发表的两项研究通过随机诱变、基因重组和定点诱变的方法，提高了野生马铃薯中 NLR R3a 的识别能力 (33; 109) 。
在一项后续研究中， Segretin 将发现的突变转移到番茄的 R3a 同源基因 I2 上， I2 通过 Avr2 效应子的识别对番茄镰刀菌产生抗性，并与 R3a 具有较高的序列相似性 (98; 116) 。
R3a+ 等位基因中的两个残基( I141F 和 N336Y )在 I2 中保守 (60) ，在 I2 中进行突变以查看其识别能力是否会扩大 (53) 。
因此，目前为止对 NLRs 的随机诱变的尝试并没有导致新的抗病性的产生。
5 NLRs 工程的前景与挑战
效应子酶活性的研究将继续扩大这一方法的潜在靶点 (22) 。
除设计靶蛋白之外，还可以使用 IDs 来设计 NLR 分支。
但还需要更好地理解 NLR-ID 激活机制。
NLR 辅助因子在这 NLR- 效应子中扮演什么角色
一种观点认为辅助因子抑制了传感器 NLR 自身活性，而另一种观点认为辅助因子介导了免疫信号的启动 (61; 89) 。
在水稻的 Pik 等位基因序列中，整合的 HMA 结构域是 NLR 中最具多态性的区域 (36) ，这表明它是效应子结合界面。
这种交换可以更好地识别效应子，通过将效应子引入现有的 NLR-ID 结构域以确定其靶标(图 3b )。
为此，从 NLRs 晶体结构与几个等位效应子的结合中获得的信息，提高了对结合界面以及哪些氨基酸可以提高结合亲合力的理解 (40) 。
5.3 开发具有自然多样性 LRR 结合特异性的 NLRs
效应子 -NLR 相互作用的最简单模式是通过可变 LRR 区域介导的直接结合，因为它涉及的遗传成分最少。
图 3 新抗病性工程的进化指南。
6 结论与未来方向
NLRs 工程是困难的，成功的研究成果仍然有限。
2 、从 NLR 对进化而来的辅助因子比 CC-NLR ( RNL )的辅助因子进化更早。
3 、 NLRs 的传感器和辅助信号元件的亚功能化让人联想到模式识别受体和协同受体之间的关系，可能是一个普遍的进化主题。
4 、虽然从序列上预测 NLRs 的作用模式具有挑战性，但在演化支中的系统发育位置可以帮助预测其遗传需求。
5 、 NLRs 的工程设计一直很困难，到目前为止只取得部分成功。
6 、理解 NLRs 的演变可以为设计工程提供信息，并引导设计具有新的识别特异性的 NLRs 。