在植物免疫领域，宿主与病原体之间的军备竞赛通常被形象地描述为与“Zig-Zag”类似的阶梯式拉锯战：植物通过基础的先天免疫系统应对大部分病原体的入侵，而适应的病原体通过分泌一系列效应蛋白克服宿主的防御机制以促进其侵染；相应地，抗性植物通过进化出特异性受体识别这些效应蛋白，重新激活植物的免疫系统来达到抗病的目的。破译病原体效应蛋白与植物受体特异相互作用机制是植物分子病理学的一个主要研究方向，可为增强抗病能力的作物育种及开发提供坚实可靠的理论依据。近期，西湖大学/清华大学柴继杰教授联合南京农业大学王源超教授在Science上发表了“A plant mechanism of hijacking pathogen virulence factors to trigger innate immunity”的研究成果，该研究对于开发以植物受体PGIP劫持病原体细胞壁降解酶效应蛋白PG为基础的抗性作物育种具有重要意义，受到了植物免疫领域专家学者的广泛关注。
近日，aBIOTECH特邀英国塞恩斯伯里实验室（The Sainsbury Laboratory）马文勃教授针对此项重要成果，发表了题为“Zig, Zag, and ’Zyme: leveraging structural biology to engineer disease resistance”的评述文章（点击题目阅读全文）。
Wenbo Ma, Alexander J. McClelland
在该文章中，马文勃教授团队首先对PGIP-PG这一植物经典免疫信号通路进行了系统介绍。病原体的来源聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase, PG）是一类可以将细胞壁中去甲酯化的果胶（多聚半乳糖醛酸，PGA）水解为短链聚半乳糖醛酸（OG）的降解酶。降解产物短链OG由于具有抑制植物免疫的功能，从而可以进一步增强PG的毒力。植物通常分泌多种胞外抑制蛋白，特异性结合在病原体细胞壁降解酶的酶活口袋处，抑制底物与其结合，破坏其细胞壁降解活性。
病原体PG可被植物胞外分泌LRR受体PGIP所识别，与PG结合的胞外分泌蛋白被研究者命名为PG抑制子（PG-inhibiting protein, PGIP）。与常见的LRR受体激酶/受体蛋白定位在细胞膜上不同，PGIP缺少穿膜区和胞内区，暗示其主要在细胞外发挥作用。但是与常见“抑制蛋白”不同，生化实验表明PGIP可以显著改变PG水解PGA的产物，生成聚合度为10-15的长链OG（OG10-15）。这些OG10-15作为信号可以被受体激酶WAK所识别，激活植物免疫响应。这一奇特的现象已被发现超过30余年，但PGIP改变PG酶活性的分子机理仍不得而知。
随后，该评述系统回顾了Science论文的研究成果（图1）。文章第一作者肖裕博士及其合作者在体外重组了来自菜豆PvPGIP2与镰刀菌FpPG形成的复合物，酶学与植物体内实验证明PvPGIP2-FpPG-PGA、FpPG-PGA的不同水解产物可以分别发挥免疫激活与免疫抑制功能。PvPGIP2-FpPG复合物结构显示PvPGIP2并未结合在FpPG的酶活中心，PvPGIP2与FpPG结合后形成了一个全新的、更长的底物OG结合口袋，PvPGIP2增强了底物OG与FpPG的结合能力。PvPGIP2-FpPG是一个由跨物种蛋白组成的新型聚半乳糖醛酸水解酶，它与FpPG具有不同的底物选择性和催化活性。以解析的高分辨率PvPGIP2-FpPG复合物结构为基础，研究者对PGIP进行了两种类型的工程化改造：一是改造后的PvPGIP2 具有了产生更多OG10-15的能力；二是改造后的苜蓿MtPGIP1可以获得原本不具备的FpPG识别能力。
图1 PvPGIP2通过改变FpPG酶活性诱导植物免疫响应
由于PGIP、PG在植物界、病原体中广泛存在，且PGIP已被证明在多个植物抗病过程中发挥重要作用。论文对PGIP的成功定向化改造，揭示了其在未来抗性作物的开发和育种可能具备极大的应用潜力。此外，该评述还展望了未来在PGIP-PG相关信号通路可行的研究方向。例如，深入研究自然界中PGIP和PG存在的序列和结构变化，分析PG逃逸PGIP操纵的机理，增强优质作物品种的PGIP对各类病原体PG有效监测的能力等。
最后，文章列举了近年来诸多植物免疫学家以解析的高分辨率复合物结构、人工智能蛋白设计、Alphafold multimer结构预测等为基础，在植物抗病领域进行的一系列成功蛋白质定向改造的实例。毫无疑问，随着人们对植物-病原体互作分子机制理解的进一步加深，结构导向的抗病蛋白工程化改造的时代已经来临，我们有理由期待它们未来将在增强作物抗性，提高作物产量的应用中大放异彩。
引用本文：
McClelland, A.J., Ma, W. Zig, Zag, and ’Zyme: leveraging structural biology to engineer disease resistance. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00152-w
肖裕，清华大学水木学者、北京生物结构前沿中心卓越学者、清华大学生命科学学院博士后。博士与博士后阶段均师从西湖大学（原清华大学）世界知名植物免疫学家柴继杰教授。主要研究方向为植物先天免疫受体的结构与功能研究，博士阶段聚焦于植物CrRLK1L受体激酶，揭示了该家族中明星受体FER与膜锚定蛋白LLG共同识别肽类激素RALF的分子机制（Xiao et al, Nature, 2019）；博士后阶段工作主要聚焦于植物分泌LRR受体，揭示了植物PGIP识别病原体PG，劫持其酶活来激活植物免疫的分子机制（Xiao et al, Science, 2024）。目前已累计发表论文12篇，总引用量>600次（Google Scholar）。其中以第一作者（含共同）在Nature, Science, Molecular Cell, Nature Communications, Nucleic Acid Research上发表文章5篇。
肖裕博士近期正筹划在新单位建立独立实验室，未来的研究将以结构生物学为主要研究手段，围绕植物受体激酶以及植物细胞壁相关信号通路展开。对其工作领域感兴趣、有志于共同探索植物生命奥秘的研究生、博士后，欢迎通过以下邮箱联系[email protected]。
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