Функция следует за формой в иммунитете растений

Ученые из Института селекции растений Общества Макса Планка (MPIPZ) и Кёльнского университета (Германия) обнаружили новый биохимический механизм, объясняющий, как иммунные белки защищают растения от вторжения микроорганизмов. Результаты опубликованы в журнале Cell.

Ключевыми игроками в иммунном ответе растений являются иммунные рецепторы. Подмножество этих рецепторов содержит специализированные домены TIR (toll-interleukin-1 receptor) и функционирует как ферменты, расщепляющие молекулу NAD⁺ (никотинамидадениндинуклеотид). Распад NAD⁺ активирует дополнительные иммунные белки, что в конечном итоге приводит к «гиперчувствительному ответу» — гибели клеток в местах попытки заражения.

Однако исследования показали, что расщепления NAD⁺, хотя и необходимого, недостаточно для защиты растений.

Авторы работы под руководством Цзицзе Чая, Пауля Шульце-Леферта и Бина Ву исследовали функцию белков TIR и показали, что эти рецепторы не только расщепляют NAD⁺, но также обладают дополнительной функцией: домены TIR расщепляют молекулы с фосфодиэфирными связями, типичными для РНК и ДНК.

С помощью структурного анализа было показано, что белки TIR образуют разные мультибелковые структуры для расщепления NAD⁺ или РНК/ДНК, что объясняет, как один и тот же белок может выполнять две роли. Для расщепления РНК/ДНК белки TIR следуют контурам цепей и плотно обвивают их, как бусины на нитке. Способность формировать два альтернативных молекулярных комплекса является характеристикой всего семейства иммунных рецепторов. Таким образом, точная форма белков TIR диктует соответствующую ферментативную активность.

Далее авторы показали, что сама по себе эта функция недостаточна для гибели клеток, предположив, что ответственны специфические малые молекулы, образующиеся при расщеплении РНК и ДНК. С помощью аналитической химии ученые идентифицировали эти молекулы как cAMP/cGMP (циклический аденозинмонофосфат/циклический гуанозинмонофосфат). Интригующе, что домены TIR запускали продукцию не канонических 3′,5′-cAMP/cGMP, а так называемых неканонических 2′,3′-cAMP/cGMP, чьи точные роли до сих пор были неясны. Снижение TIR-опосредованной продукции 2′,3′-cAMP/cGMP ослабляло гибель клеток, демонстрируя важность этих молекул для иммунного ответа растений.

Если 2′,3′-cAMP/cGMP способствуют гибели клеток в ответ на инфекцию, логично предположить, что их уровень строго контролируется. Действительно, авторы обнаружили, что известный негативный регулятор функции TIR у растений, NUDT7, действует, истощая запасы 2′,3′-cAMP/cGMP. Схожие негативные регуляторы выделяются некоторыми патогенными микроорганизмами во время инфекции внутри растительных клеток, и ученые показали, что эти белки патогенов также истощают 2′,3′-cAMP/cGMP. Это говорит о том, что вторгающиеся микроорганизмы эволюционировали, чтобы обезвредить зависимый от 2′,3′-cAMP/cGMP защитный механизм растений для собственной выгоды.

Как резюмирует один из соавторов, Дунли Юй: «Мы определили новую роль домена TIR иммунных рецепторов в защите растений от инфекции. В перспективе идентификация и характеристика мишеней 2′,3′-cAMP/cGMP предложит новые стратегии для повышения устойчивости растений к вредным микробам и таким образом внесет вклад в продовольственную безопасность».