У растений, как и у людей и животных, на протяжении миллионов лет развилась сложная иммунная система, которая отражала вторжение патогенов. Но, в отличие от многих животных, у растений отсутствует адаптивный иммунитет, обеспечиваемый антителами. Это означает, что каждая растительная клетка должна защищать себя от всех потенциальных патогенов, а это непростая задача.
Спрятавшиеся внутри каждой растительной клетки белковые комплексы, закодированные генами устойчивости к болезням, подобны спящим армиям, просыпающимся и активирующим защитные силы при обнаружении вредных патогенов, таких как грибки или бактерии. Такие гены кодируют признаки, используемые сельскохозяйственными биотехнологами для создания устойчивых к болезням культур, а биологи растений стремятся пролить свет на каждый аспект их работы, большая часть которых остается окутанной тайной..
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, группа биологов, в том числе доцент кафедры биологии Университета штата Колорадо Марк Нисимура, пролила новый свет на важнейший аспект иммунного ответа растений. Их открытие, показывающее, как белки устойчивости растений вызывают локальную гибель клеток, может привести к новым стратегиям создания устойчивости к болезням у культур следующего поколения.
Исследовательскую группу возглавляли Нисимура, Джефф Дангл из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и Джеффри Милбрандт из Медицинской школы Вашингтонского университета. Нисимура начал работу в качестве научного сотрудника в лаборатории Эрин Осборн Нисимура, доцента кафедры биохимии и молекулярной биологии CSU.
Вместе с коллегами Нисимура идентифицировал механизм одного малоизученного домена белков устойчивости растений, названного «рецептором толл-интерлейкина-1» или доменом TIR. Команда показала, что во время иммунного ответа растений домен TIR представляет собой фермент, который расщепляет молекулу, называемую NAD+, которая необходима для метаболизма всех организмов. Расщепляя NAD+, растение самоуничтожает инфицированные клетки, оставляя другие невредимыми.
Ученые ранее предполагали, что домены TIR растений могут действовать как физические леса, создавая структуру, которая прикрепляется к плазматической мембране клетки и рекрутируя другие белки в эту область, чтобы начать иммунный ответ. Вот как эти домены работают в клетках животных, в том числе и у человека.
Но в 2017 году сотрудники Нисимуры из Медицинской школы Вашингтонского университета обнаружили необычный домен TIR животных, обнаруженный в белке под названием SARM1, который не работает, как другие сигнальные каркасы TIR в клетках животных. Скорее, он действует как фермент. Нисимура и его коллеги решили выяснить, может ли этот домен иметь аналогичную функцию в иммунитете растений.
Новая работа Нишимуры и его коллег в Science показывает, что роль доменов TIR в иммунном ответе растений действительно функционально связана с ролью более необычного домена TIR животных в SARM1. Они обнаружили, что TIR-домен растений сам по себе является ферментом, расщепляющим NAD+, а не структурным каркасом, который рекрутирует другие компоненты. Но была важная разница. В то время как домен TIR животных в SARM1 убивает клетки, истощая уровни NAD+, домены TIR растений вместо этого, по-видимому, расщепляют NAD+ с образованием сигнальной молекулы. Эта молекула, не обнаруженная в клетках животных, структурно родственна классической сигнальной молекуле, называемой циклической АДФ-рибозой. Сейчас команда работает над тем, чтобы понять, как этот новый продукт влияет на гибель клеток и устойчивость к болезням.
«В течение 25 лет мы не знали, что делают домены TIR в растениях», - сказал Нисимура. «Поэтому эти результаты были очень интересны с точки зрения продвижения нашего понимания того, как домены TIR на самом деле вызывают иммунитет».
Выявление отдельных биохимических путей иммунного ответа растений может иметь решающее значение для того, как манипулируют растительными системами для защиты продовольственных культур, особенно когда появляются новые патогены и глобальные запасы продовольствия становятся уязвимыми, сказал Нисимура.
«Надеюсь, что действительно механистическое понимание иммунных рецепторов поможет нам переносить существующие рецепторы, сохраняя при этом функцию, и, в конечном итоге, позволит нам рационально создавать новые рецепторы для распознавания возникающих патогенов», - сказал он..