Ερευνητική πρόοδος των ATG που εμπλέκονται στην ανοσία των φυτών και στον μεταβολισμό NPR1

Αφηρημένη:

Η αυτοφαγία είναι μια ουσιαστική οδός αποικοδόμησης περίσσειας και μη φυσιολογικών πρωτεϊνών και οργανιδίων μέσω της εμβάπτισής τους σε αυτοφαγοσώματα που στη συνέχεια συντήκονται με το κενοτόπιο. Τα γονίδια που σχετίζονται με την αυτοφαγία (ATG) είναι απαραίτητα για το σχηματισμό αυτοφαγοσωμάτων. Μέχρι σήμερα έχουν εντοπιστεί περίπου 35 ATG στο Arabidopsis, τα οποία εμπλέκονται στην εμφάνιση και ρύθμιση της αυτοφαγίας.

Μεταξύ αυτών, 17 πρωτεΐνες σχετίζονται με την αντίσταση στα φυτικά παθογόνα. Η μη έκφραση του συνενεργοποιητή μεταγραφής των σχετιζόμενων με την παθογένεια γονιδίων 1 (NPR1) εμπλέκεται στην έμφυτη ανοσία και την επίκτητη αντίσταση στα φυτά, η οποία ρυθμίζει τα περισσότερα γονίδια που ανταποκρίνονται στο σαλικυλικό οξύ (SA). Αυτό το άρθρο συνοψίζει κυρίως τον ρόλο των ATG και NPR1 στην ανοσία των φυτών και την πρόοδο της έρευνας για τα ATG στο μεταβολισμό NPR1, παρέχοντας μια νέα ιδέα για τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ ATG και NPR1.

Λέξεις-κλειδιά:

Arabidopsis; αυτοφαγία; NPR1; φυτική ανοσία.

Η αυτοφαγία και η ανοσία συνδέονται στενά και τα δύο προάγουν το ένα το άλλο και διατηρούν καλή υγεία.

Η αυτοφαγία είναι μια σημαντική μεταβολική διαδικασία στα κύτταρα, η οποία παρέχει ενέργεια και πρώτες ύλες στα κύτταρα καταπίνοντας απόβλητα και κατεστραμμένα οργανίδια μέσα στα κύτταρα και αποσυνθέτοντας τα σε θρεπτικά συστατικά. Η αυτοφαγία παίζει σημαντικό ρόλο στον κυτταρικό μεταβολισμό και στις δραστηριότητες της ζωής και βοηθά στη διατήρηση της ομοιόστασης των κυττάρων και στην αντίσταση σε διάφορα εξωτερικά ερεθίσματα στρες.

Η ανοσία είναι ένας σημαντικός μηχανισμός άμυνας του οργανισμού έναντι της εισβολής ξένων παθογόνων μικροοργανισμών και της ανάπτυξης κακοήθων ιστών, συμπεριλαμβανομένων δύο επιπέδων έμφυτης ανοσίας και επίκτητης ανοσίας. Η έμφυτη ανοσία μπορεί γρήγορα να εντοπίσει και να επιτεθεί σε εισβάλλοντα παθογόνα, ενώ η επίκτητη ανοσία ενισχύει την άμυνα έναντι των παθογόνων μέσω μηχανισμών όπως η παρουσίαση αντιγόνου και η παραγωγή αντισωμάτων.

Η σχέση μεταξύ αυτοφαγίας και ανοσίας εκδηλώνεται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές:

1. Η αυτοφαγία μπορεί να αφαιρέσει επιβλαβείς πρωτεΐνες και αντιγόνα στα κύτταρα, να μειώσει τη διέγερση του στρες των κυττάρων και την ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος.

2. Η αυτοφαγία μπορεί να συμμετέχει στη διαδικασία παρουσίασης αντιγόνου, παρουσιάζοντας αντιγόνα εσωτερικής προέλευσης στα κύτταρα του ανοσοποιητικού και ενισχύοντας την επίδραση της επίκτητης ανοσίας.

3. Η αυτοφαγία μπορεί να συμμετάσχει στη μεταβολική ρύθμιση, τη διαίρεση και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων του ανοσοποιητικού και να βελτιώσει τη ζωτικότητα και την ευαισθησία του ανοσοποιητικού συστήματος.

Συνολικά, η στενή σχέση μεταξύ της αυτοφαγίας και της ανοσίας παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της ομοιόστασης και της αντίστασης στις ασθένειες. Φαινόμενα όπως η μειωμένη ανοσία ή η δυσλειτουργία της αυτοφαγίας μπορούν εύκολα να οδηγήσουν σε διάφορες ασθένειες του ανοσοποιητικού και χρόνιες μεταβολικές παθήσεις στον οργανισμό, γι' αυτό είναι απαραίτητο να δοθεί προσοχή στην αυτοφροντίδα και στην επιστημονική διαχείριση. Από αυτή την άποψη, πρέπει να δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή στη βελτίωση του ανοσοποιητικού μας. Το Cistanche έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική βελτίωση της ανοσίας. Το Cistanche είναι πλούσιο σε μια ποικιλία αντιοξειδωτικών ουσιών, όπως βιταμίνη C, βιταμίνη C, καροτενοειδή κ.λπ. Αυτά τα συστατικά μπορούν να καθαρίσουν τις ελεύθερες ρίζες, να μειώσουν το οξειδωτικό στρες και να βελτιώσουν την αντίσταση του ανοσοποιητικού συστήματος.

Κάντε κλικ στα οφέλη για την υγεία του κιστάνσε

1. Ανοσία φυτών

1.1. PTI και ETI

Τα φυτά έχουν αναπτύξει ένα περίπλοκο ανοσοποιητικό σύστημα για την καταπολέμηση της απειλής από παθογόνους μικροοργανισμούς στη φύση, συμπεριλαμβανομένης της έμφυτης και της επίκτητης ανοσίας [1-3]. Διαθέτει δύο έμφυτες γραμμές ανοσολογικής άμυνας που επιτρέπουν αυτόνομες αμυντικές αποκρίσεις των κυττάρων κατά τη μόλυνση από παθογόνο. Για την πρώτη γραμμή έμφυτης ανοσίας, οι υποδοχείς αναγνώρισης προτύπων εντοπισμένων στην επιφάνεια των φυτικών κυττάρων (PRRs) αναγνωρίζουν το μοριακό πρότυπο που σχετίζεται με μικρόβια (MAMP) ή το μοριακό πρότυπο που σχετίζεται με το παθογόνο (PAMP) για να ενεργοποιήσουν την ανοσία που προκαλείται από μοριακό μοτίβο που σχετίζεται με το παθογόνο (PAMP). -πυροδοτημένη ανοσία, PTI) [4–6].

Ωστόσο, ορισμένα φυτικά παθογόνα μπορούν να παράγουν τελεστές για την αναστολή της PTI. Η άλλη γραμμή ανοσολογικής άμυνας ενεργοποιείται από τις πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από γονίδια αντίστασης (γονίδια R), αυτές οι πρωτεΐνες μπορούν να αναγνωρίσουν άμεσα ή έμμεσα τους τελεστές που εκκρίνονται από παθογόνους μικροοργανισμούς. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως ανοσία που προκαλείται από τελεστές (ETI) που συνήθως οδηγεί σε τοπικό προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο (PCD) που ονομάζεται υπερευαίσθητη απόκριση (HR) [7,8]. Τα γονίδια R εκφράζονται σε μεγάλο βαθμό κατά τη διάρκεια της μόλυνσης από παθογόνο, τα περισσότερα από αυτά κωδικοποιούν την περιοχή δέσμευσης νουκλεοτιδίων (NB) και πρωτεΐνες που περιέχουν επαναλαμβανόμενες πλούσιες σε Leu (LRR) (NLR) που αναγνωρίζουν παθογόνους παράγοντες και ενεργοποιούν την ETI, η οποία συνήθως οδηγεί στη συσσώρευση αντιδραστικά είδη οξυγόνου (ROS) και HR. Με βάση τις Ν-τερματικές δομές, οι πρωτεΐνες NLR μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες. Το TIR-NLR (TNL) περιέχει την περιοχή του υποδοχέα διοδίων/ιντερλευκίνης{{8} (TIR) ​​και το CC-NLR (CNL) περιέχει τον τομέα περιελιγμένου πηνίου (CC) [9-15].

Οι πιο πρόσφατες μελέτες έχουν αποσαφηνίσει τον νέο μηχανισμό διασταύρωσης και συνεργασίας μεταξύ PTI και ETI, ενεργοποιούν πολλά μονοπάτια που σχετίζονται στενά μεταξύ τους και ενεργοποιούν μονοπάτια σηματοδότησης ανοσοποιητικού φυτού [16-18]. Το ETI ενισχύει τις αποκρίσεις PTI, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ROS, της εναπόθεσης καλλόζης και της ανοδικής ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης [16]. Επιπλέον, το HR-PCD που προκαλείται από ETI ενισχύεται από PTI [16]. Το πιο σημαντικό, η εξάλειψη των βασικών γονιδίων στην οδό PTI αναστέλλει την ETI. Σε μεταλλάκτες PRRs/συν-υποδοχέα Arabidopsis, fls2/ever/cerk1 (fec) και bak1/bkk1/cerk1 (bbc), η ETI που επάγεται από το Pst DC3000 (avrRpt2) ήταν σοβαρά μειωμένη [17,18]. Υποδεικνύει ότι η ενεργοποίηση του ETI απαιτεί συμμετοχή PTI, αυτό το εύρημα έχει σημαντικές επιπτώσεις για μελλοντικές μελέτες φυτικής ανοσίας.

1.2. SAR

Η τοπική αμυντική απόκριση μπορεί να ενεργοποιήσει την αντίσταση επίκτητου συστήματος των φυτών (SAR), η οποία εκπέμπει χημικά σήματα για να ειδοποιήσει τα γειτονικά κύτταρα και τους ιστούς και να προστατεύσει ολόκληρο τον οργανισμό [19-23]. Έτσι, επιτρέπει στο φυτό να ενεργοποιεί τις αμυντικές αποκρίσεις πιο γρήγορα, ισχυρά και αποτελεσματικά όταν στη συνέχεια προκαλείται από παθογόνα. Αυτό απαιτεί αυστηρή και ακριβή ρύθμιση των φυτικών ορμονών, μεταβολιτών και πρωτεϊνών [24-28]. Η ενεργοποίηση του SAR σχετίζεται με τη συσσώρευση σαλικυλικού οξέος (SA) και την επαγωγή γονιδίων που σχετίζονται με την παθογένεση (PR) [29-31]. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι το πιπεκολικό οξύ (Pip) και η γλυκερόλη{8}φωσφορική (G3P) διεγείρουν το ένα τη βιοσύνθεση του άλλου και δρουν μαζί για να ενεργοποιήσουν τον ενδοκυττάριο SAR και την εκπομπή ενδείξεων από φυτό σε φυτό (PTP) [32,33] .

2. ATG που εμπλέκονται στην ανθεκτικότητα των φυτών στα παθογόνα

Η αυτοφαγία είναι ένας εξελικτικός διατηρημένος ενδοκυτταρικός ρυθμιστικός μηχανισμός, που περιλαμβάνει την αποδόμηση και την ανακύκλωση ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών, μεταβολιτών και οργανιδίων. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι ο σχηματισμός κυστιδίων διπλής μεμβράνης, γνωστών ως αυτοφαγοσώματα, τα οποία καταβροχθίζουν ένα τμήμα του κυτταροπλάσματος και το μεταφέρουν σε κενοτόπια για αποικοδόμηση [34-37]. Περισσότερα από 40 γνωστά γονίδια που σχετίζονται με την αυτοφαγία (ATG) που ρυθμίζουν αυστηρά αυτή τη διαδικασία διακίνησης μεμβρανών έχουν εντοπιστεί στη ζύμη [38]. Στο Arabidopsis, έχουν ταυτοποιηθεί πολλά γονίδια με ομοιότητα αλληλουχίας με τα ATG ζυμομύκητα.

Οι τρέχουσες πληροφορίες από τη βάση δεδομένων Arabidopsis TAIR και τη σχετική βιβλιογραφία έδειξαν ότι έχουν εντοπιστεί περίπου 35 ATG. Εκτός από το ATG14/29/31, άλλα ομόλογα γονίδια ATG έχουν βρεθεί σε ζυμομύκητες [39]. Η εξελικτική διαδικασία της αυτοφαγίας χωρίζεται σε τέσσερα στάδια: (1) Το σύμπλεγμα ATG1-ATG13 και ο στόχος της ραπαμυκίνης (TOR) προκαλούν από κοινού αυτοφαγία. (2) Το σύμπλοκο ATG9 και κινάσης φωσφοϊνοσιτιδίου-3- (PI3Ks) που περιέχει ATG6, ATG14, διαλογή κενοτοπίων πρωτεΐνης 15 (VPS15) και VPS34, συμμετέχουν στη διαλογή πρωτεϊνών και προάγουν την επέκταση των κυστιδίων. (3) Δύο συστήματα σύζευξης που μοιάζουν με ουβικιτίνη, τα συστήματα ATG5-ATG12 και ATG{8-φωσφατιδυλοαιθανολαμίνης (ATG{8-}ΡΕ), επάγουν το σχηματισμό αυτοφαγοσωμάτων. (4) Η σύντηξη ώριμων αυτοφαγοσωμάτων με το κενοτόπιο [35,36,40-43].

Τα τελευταία χρόνια, έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στον εντοπισμό των ATG και στη μελέτη των οδών αυτοφαγίας. Μερικές από αυτές τις μεταλλάξεις νοκ-άουτ γονιδίων αποκάλυψαν τον φυσιολογικό ρόλο της αυτοφαγίας στο διατροφικό στρες (ανεπάρκεια αζώτου και άνθρακα) και στη γήρανση [44-46]. Επιπλέον, όλο και περισσότερες μελέτες έχουν δείξει ότι η αυτοφαγία εμπλέκεται επίσης στην ανοσολογική απόκριση των φυτών [47-51]. Η αυτοφαγία παίζει ρόλο στην προώθηση και την αναστολή των παθογόνων στις αλληλεπιδράσεις ξενιστή-παθογόνου. Οι ξενιστές μπορούν να προκαλέσουν ή να αναστείλουν την αυτοφαγία των φυτών κατά τη διάρκεια της μόλυνσης από παθογόνο, η οποία είναι ευεργετική για την αντίσταση στην εισβολή παθογόνων [52]. Μια πρόσφατη μελέτη αποκάλυψε την αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών ATG και διαφορετικών παθογόνων τελεστών. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το ATG8 αλληλεπιδρούσε με αρκετούς τελεστές, ενώ το HrpZ1 στόχευε το ATG8 για να ενισχύσει τα επίπεδα αυτοφαγίας και να αυξήσει τη λοιμογόνο δράση του Pto DC3000 hrcC και το HopF3 στόχευε το ATG8 για να καταστείλει την αυτοφαγία.

Αν και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ATG1, ATG7, ATG12 και αρκετών τελεστών βρέθηκαν σε αυτή τη μελέτη, ο ακριβής μηχανισμός αυτών των αλληλεπιδράσεων στην αντοχή στις ασθένειες των φυτών είναι ασαφής [52]. Ορισμένες μεταλλάξεις νοκ-άουτ ATG εμφάνισαν αυξημένη ευαισθησία σε μόλυνση από παθογόνο, όπως atg2, atg5, atg6, atg7, atg9, atg10 και atg18 [13,53-60]. Ενώ τα μεταλλάγματα atg2 εμφάνισαν λιγότερα HR-PCD και ATG4, το ATG5 ανέστειλε την εμφάνιση HR-PCD, τα αντινοηματικά φυτά ATG6 εμφάνισαν ενισχυμένο HR-PCD κατά τη διάρκεια της μόλυνσης από παθογόνο [53-59,61]. Μια πρόσφατη μελέτη ανέφερε ότι η τροποποίηση φωσφορυλίωσης του ATG18a κατέστειλε τον σχηματισμό αυτοφαγοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μόλυνσης από παθογόνο, με αποτέλεσμα να μειωθεί η ανθεκτικότητα των φυτών, η οποία παρέχει στοιχεία για τη συμμετοχή της αυτοφαγίας στην ανοσολογική ρύθμιση των φυτών [62]. Εδώ, συνοψίζουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ βακτηρίων, μυκητιακών τελεστών και ATG καθώς και τον ρόλο της αυτοφαγίας στη ρύθμιση της HR-PCD και της αντίστασης (Πίνακας 1).

3. Ρόλος των NPRs στην Ανοσία των Φυτών

3.1. Η δομή του NPR1

Η μη έκφραση του συνενεργοποιητή μεταγραφής των σχετιζόμενων με την παθογένεια γονιδίων 1 (NPR1) είναι ένας βασικός ρυθμιστικός παράγοντας του SAR, ο οποίος ρυθμίζει τα περισσότερα γονίδια που αποκρίνονται στο SA [30,63-66]. Το NPR1 περιέχει έναν Ν-τερματικό τομέα BTB/POZ (Broad-Compex, Tramtrack και BricaBrac/POxvirus and Zinc finger), έναν τομέα επανάληψης αγκυρίνης (ANK), έναν τομέα μετενεργοποίησης C-τερματικού και μια ακολουθία πυρηνικού εντοπισμού [67-69 ]. Το NPR1 αλληλεπιδρά με τον παράγοντα σύνδεσης του μοτίβου TGACG (TGA) μέσω του τομέα ANK ή BTB/POZ [70-72]. Απουσία SA, η περιοχή C-τερματικής μετενεργοποίησης του NPR1 αλληλεπιδρά με την περιοχή BTB/POZ, η οποία αναστέλλει τη λειτουργία μεταγραφικού συνενεργοποιητή NPR1. Η δέσμευση του SA στο NPR1 οδηγεί σε διαμορφωτικές αλλαγές του NPR1, λειτουργεί ως συνενεργοποιητής της γονιδιακής μεταγραφής με την απελευθέρωση του C-τερματικού τομέα μετενεργοποίησης από τον Ν-τερματικό αυτοανασταλτικό τομέα [71,73]. Μια πρόσφατη μελέτη παρείχε μια προκαταρκτική κατανόηση της σχέσης δομής-λειτουργίας των πρωτεϊνών NPR. Ταυτοποιήθηκε ο πυρήνας δέσμευσης SA (SBC) που αποτελείται από τα αμινοξέα 373-516 στην C-τερματική περιοχή NPR4. Τα Arabidopsis NPR4 και NPR1 μοιράζονται 38,1 τοις εκατό ταυτότητα αλληλουχίας στην περιοχή SBC τους, μοιράζονται τον δομικό μηχανισμό της αναγνώρισης SA. Επιπλέον, αυτή η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι οι διαμορφωτικές αλλαγές του NPR4 SBC θα μπορούσαν να προκληθούν από τη δέσμευση του SA σε NPR1 και NPR4 [74].

3.2. NPR1 και έμφυτη ανοσία

Το NPR1 είναι ο κύριος ρυθμιστής της αντοχής των φυτών στο στρες των παθογόνων, που προσδίδει ανοσία μέσω πολλαπλών παραγόντων μεταγραφής [75-77]. Η έρευνα τα τελευταία 20 χρόνια έχει αποκαλύψει τον πιθανό μοριακό μηχανισμό του NPR1 σε διαφορετικές κυτταρικές καταστάσεις. Υπό κανονικές συνθήκες ανάπτυξης, το NPR1 υπάρχει στο κυτταρόπλασμα, σταθεροποιημένο από διαμοριακούς δισουλφιδικούς δεσμούς. Η μόλυνση από παθογόνα έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση της αντίδρασης ολιγομερούς SA και NPR1 σε μονομερές μέσω αλλαγών οξειδοαναγωγής που προκαλούνται από SA στο κύτταρο, επιτρέποντας στο NPR1 να μεταναστεύσει στον πυρήνα [75,78,79]. Το NPR1 ενεργοποιεί έμμεσα την έκφραση του γονιδίου PR αλληλεπιδρώντας με το TGA στον πυρήνα και παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της πρωτεΐνης PRs κατάντη [63,80,81]. Το NPR1 στην αντίληψη SA προάγει τη μεταγραφική δραστηριότητα των TGAs [82]. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι το NPR1 αλληλεπιδρά με την εξαρτώμενη από κυκλίνη κινάση 8 (CDK8) και την ενισχυμένη ευαισθησία σε νόσο 1 (EDS1) για να προάγει την έκφραση PR1 στο μονοπάτι σηματοδότησης SA [83,84].

Μια νέα μελέτη διαπίστωσε ότι ο σχηματισμός συμπυκνωμάτων NPR1 που προκαλούνται από SA (SINCs) μεσολαβείται από διατηρημένες συστάδες κυστεΐνης σε περιοχές ενδογενούς διαταραχής (IDRs) της πρωτεΐνης NPR1. Τα SINC είναι πλούσια σε πρωτεΐνες που ανταποκρίνονται στο στρες, συμπεριλαμβανομένων των υποδοχέων NB-NLR, των οξειδωτικών και των πρωτεϊνών που ανταποκρίνονται στη βλάβη του DNA και των πρωτεϊνών που σχετίζονται με την ουβικουιτίνη. Επιπλέον, τα SINC απαιτούνται για να σχηματίσουν λειτουργικό σύμπλεγμα NPR1-Cullin 3 RING E3 ligase (CRL3) στο κυτταρόπλασμα. Το σύμπλεγμα NPR{11}}Το σύμπλεγμα CRL3 μπορεί να εξαφανίσει και να υποβαθμίσει το EDS1 και ορισμένους σημαντικούς ρυθμιστικούς παράγοντες ETI, όπως οι μεταγραφικοί παράγοντες WRKY, προάγοντας έτσι την κυτταρική επιβίωση στην ETI [85].

3.3. NPR3/NPR4 και Ανοσία φυτών

Στο Arabidopsis, η οικογένεια NPR αποτελείται από NPR1 και πέντε NPR1-όπως γονίδια, που ονομάζονται NPR1- όπως 2 (NPR2), NPR3, NPR4, BLADE-ON-PETIOLE2 (BOP2; NPR5) και BOP1 (NPR6) [86-89]. Κάθε μέλος της οικογένειας NPR περιέχει ένα σύνολο υψηλά συντηρημένων υπολειμμάτων κυστεΐνης που πιστεύεται ότι εμπλέκονται στον έλεγχο της οξειδοαναγωγής [30]. Επιβεβαιώθηκε ότι τα NPR1 και NPR3/NPR4 συνδέονται με SA και λειτουργούν ως υποδοχείς SA, με NPR1 (Kd=223.1 ± 38,85 nM) και NPR3 (Kd=176.7 ± 28,31 nM) να συνδέονται με Α.Ε. με παρόμοια συγγένεια. Ωστόσο, η συγγένεια του NPR4 (Kd=23.54 ± 2.743 nM) με το SA είναι πολύ υψηλότερη [82]. Υπό κανονικές συνθήκες, το NPR4 είναι ένας συνδέτης του υποστρώματος CRL3 που μπορεί να αλληλεπιδράσει με το NPR1, επιτρέποντας στο πρωτεάσωμα να ουβικουϊτινοποιείται συνεχώς και να αποικοδομεί το NPR1. Σε αυτό το χρονικό σημείο, το NPR3/NPR4 αναστέλλει την έκφραση των αμυντικών γονιδίων, αποτρέποντας έτσι μια αυτοάνοση απόκριση [90-92]. Κατά τη διάρκεια του SAR, καθώς τα επίπεδα SA αυξάνονται, το SA δεσμεύεται στο NPR4, επάγει τη διάσταση των NPR1 και NPR4 και διαταράσσει το σύμπλεγμα NPR4-Cullin3 E3 λιγάσης [90,92].

Σε αυτό το χρονικό σημείο, η δέσμευση του SA στο NPR3/NPR4 αναστέλλει τη μεταγραφική τους δραστηριότητα, ενώ το NPR1 στην αντίληψη SA ενισχύει τη μεταγραφική του ενεργοποίηση, τα οποία και τα δύο βοηθούν στην πρόκληση της έκφρασης των αμυντικών γονιδίων [82]. Επιπλέον, μελέτες έχουν δείξει ότι τα NPR3 και NPR4 μπορεί να προάγουν την PCD ενώ το NPR1 μπορεί να αναστέλλει την PCD μέσω της αλληλεπίδρασης γονιδίου αντίστασης-μη λοιμογόνου δράσης (R-Avr) [91]. Η προηγούμενη μελέτη μας βρήκε ότι η έκφραση των ATG και οι συγκεντρώσεις πρωτεΐνης των ATG7 και ATG8a-PE ήταν χαμηλότερες σε μεταλλάκτες npr3/npr4 από ό,τι στους άγριου τύπου. Τα NPR3 και NPR4 μπορεί να ρυθμίζουν την παραγωγή αυτοφαγοσωμάτων προωθώντας δύο συζευγμένα συστήματα που μοιάζουν με ουβικιτίνη [91].

4. Οι ATGs Συμμετέχουν στη Ρύθμιση του Μεταβολισμού NPR1

4.1. Αποικοδόμηση NPR1 που προκαλείται από πρωτεάσωμα

Η μόλυνση από παθογόνο προκαλεί συσσώρευση SA οδηγώντας έτσι σε μετα-μεταφραστική τροποποίηση του NPR1, επιτρέποντάς του να εισέλθει στον πυρήνα. Το NPR1 στρατολογείται στο Cullin3 (CUL3) για ουβικουϊτινοποίηση και επακόλουθη αποδόμηση, αυτή η διαδικασία απαιτεί φωσφορυλίωση του NPR1 στα υπολείμματα Ser11 και Ser15 [31,93-96]. Η ουβικουϊτινοποίηση του NPR1 είναι μια σταδιακή διαδικασία. Μόνο όταν η πολυουβικουϊτινοποίηση του NPR1 ενισχύεται από τον παράγοντα σύζευξης ουβικιτίνης Ε4 (UBE4), γίνεται στόχος αποικοδόμησης πρωτεασώματος [95]. Οι δραστηριότητες της λιγάσης της ουβικιτίνης αντιτίθενται από την ειδική για την ουβικιτίνη πρωτεάση (UBP6/7). Το UBP6/7 είναι δύο δευμπικουιτινάσες που σχετίζονται με το πρωτεάσωμα (DUBs) που αυξάνουν τη μακροζωία του NPR1 [95]. Εκτός από το UBP6/7, άλλα DUB μπορεί επίσης να παίζουν ρόλο στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων απόκρισης SA, αλλά η ακριβής λειτουργία τους είναι ακόμα ασαφής.

Κάποιες μελέτες έχουν βρει ότι οι φυτικές ορμόνες abscisic acid (ABA) και SA επηρεάζουν ανταγωνιστικά το επίπεδο του NPR1 στα κύτταρα. Το ABA προάγει την αποικοδόμηση του NPR1 μέσω της οδού πρωτεασώματος που διαμεσολαβείται από το σύμπλεγμα CUL3-NPR3/NPR4, ενώ το SA προστατεύει το NPR1 από την επαγόμενη από το ABA αποικοδόμηση μέσω φωσφορυλίωσης [97-100]. Το AvrPtoB έχει μια περιοχή λιγάσης ουβικιτίνης Ubox E3 στο C-τερματικό άκρο και παρουσιάζει ασθενή αλληλεπίδραση με το NPR1 υπό μη επαγόμενες συνθήκες. Το SA προάγει την αλληλεπίδραση μεταξύ AvrPtoB και NPR1, το AvrPtoB μεσολαβεί στην ουβικουϊτινοποίηση NPR1 από την E3 λιγάση και μεσολαβεί στην αποικοδόμηση του NPR1 μέσω της οδού πρωτεασώματος [101].

4.2. Σχέση μεταξύ ATG και NPR1

Μελέτες έχουν βρει ότι το NPR1 ρυθμίζει την έκφραση των ATG. Το NPR1 ανέστειλε την έκφραση mRNA των ATG1, ATG6 και ATG8a κατά τη διάρκεια της πρώιμης HR που προκλήθηκε από το Psm ES4326/AvrRpt2 [61]. Το ανάλογο SA βενζοθειαδιαζόλης (BTH) επιβεβαιώθηκε ότι επάγει αυτοφαγία μέσω της εξαρτώμενης οδού σηματοδότησης από NPR και τα NPR1, NPR3 και NPR4 εμπλέκονται από κοινού στη ρύθμιση των αυτοφαγοσωμάτων [91].

Επιπλέον, αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι το NPR1 επηρεάζει τον φαινότυπο των μεταλλαγμένων με έλλειψη αυτοφαγίας. Το NPR1 θα μπορούσε να επιταχύνει τη γήρανση ή τη συσσώρευση που προκαλείται από λοίμωξη πρωτεϊνών που έχουν υποστεί ουμπικιτινοποίηση και το στρες του ενδοπλασματικού δικτύου στο atg2 [54]. Οι Yoshimoto et al. διαπίστωσε ότι η ΒΤΗ θα μπορούσε να προκαλέσει γήρανση και κυτταρικό θάνατο σε μεταλλάκτες atg5, αλλά δεν μπορούσε να προκαλέσει γήρανση και κυτταρικό θάνατο σε διπλούς μεταλλάκτες atg5 npr1, υποδεικνύοντας ότι ο φαινότυπος κυτταρικού θανάτου στα μεταλλάγματα atg5 εξαρτιόταν από το NPR1 υπό την επαγωγή SA [57]. Η προηγούμενη μελέτη μας βρήκε επίσης ότι το ATG4 προήγαγε την αποικοδόμηση του NPR1 αναστέλλοντας την κατανάλωση ελεύθερου SA [61]. Τα τελευταία χρόνια, η σχέση μεταξύ ATG και NPR1 αποκαλύφθηκε σταδιακά (Πίνακας 2), αλλά υπάρχουν ακόμη πολλά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν.

5. Συμπεράσματα και Μελλοντικές Προοπτικές

Η αποικοδόμηση πρωτεϊνών και οργανιδίων που προκαλείται από την αυτοφαγία είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη, την ανάπτυξη, τη διατήρηση της κυτταρικής ομοιόστασης και την ανοσολογική απόκριση [34-37,44-51]. Μια σειρά από ATG που συντοποθετούνται στη θέση συναρμολόγησης του φαγοφόρου (PAS), εκκινούν τη διαδικασία της αυτοφαγίας. Μετά από αυτό, το σύμπλεγμα PI3Ks βοηθά στο σχηματισμό του πυρήνα της αυτοφαγίας, που ακολουθείται από την επιμήκυνση της μεμβράνης του αυτοφαγοσώματος [35,36,40-43,102]. Η δραστηριότητα του NPR1 ρυθμίζεται με φωσφορυλίωση, αποφωσφορυλίωση, ουβικουϊτινίωση και αποουμπικουϊτινίωση και το πρωτεάσωμα εμπλέκεται στη διαδικασία αποδόμησής του (Εικόνα 1). Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη ορισμένα ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν, όπως εάν τα NPR1, NPR3 και NPR4 έχουν τα αντίθετα αποτελέσματα στη ρύθμιση της αυτοφαγίας και στην αντίσταση στην εισβολή παθογόνων. Συν-καταστέλλουν την παραγωγή αυτοφαγοσωμάτων και την έκφραση του EDS1; Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος των ATGs (ATG2, ATG5, ATG7, και ATG18a) στην αντοχή των φυτών στις ασθένειες έχει αποκαλυφθεί σταδιακά (Πίνακας 1). Γενικά, η συσσώρευση SA οδηγεί στην εκδήλωση του ROS και επάγει περαιτέρω αυτοφαγία, ενώ η αυτοφαγία μπορεί να μειώσει την παραγωγή ROS, διαμορφώνοντας έτσι έναν μηχανισμό ρύθμισης αρνητικής ανάδρασης. Τα ATG, όπως το ATG6, μπορούν επίσης να ρυθμίσουν την εμφάνιση HR-PCD [48,56,57,103,104]. Το NPR1 έχει αποδειχθεί ότι αναστέλλει το HR-PCD και επηρεάζει το επίπεδο του ROS στα φυτά, ενώ επηρεάζεται επίσης από το επίπεδο του ROS [30,91].

Με βάση αυτά τα στοιχεία, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να απαντηθούν τα ακόλουθα ερωτήματα: Η μετάλλαξη ή η υπερέκφραση των ATG επηρεάζει τον μετασχηματισμό του NPR1 από διμερές σε μονομερές; Ποιες είναι οι επιπτώσεις των διαφορετικών ATG στο NPR1 που εισέρχεται στον πυρήνα; Ποια είναι η σχέση μεταξύ των ATG και της ρύθμισης NPR1 της απόκρισης HR-PCD; Η αυτοφαγία και το πρωτεάσωμα 26S συν-ρυθμίζουν τον κύκλο εργασιών του NPR1; Μια σε βάθος μελέτη αυτών των ζητημάτων θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς η οδός της αυτοφαγίας συμμετέχει στη ρύθμιση του μεταβολισμού του NPR1.

Μια πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι η έκφραση πρωτεΐνης του NPR1 ήταν σημαντικά υψηλότερη στο atg4a4b από ότι στον άγριο τύπο υπό κανονικές συνθήκες και η έκφραση του NPR1 στο atg4a4b ήταν υψηλότερη από εκείνη στον άγριο τύπο υπό θεραπεία με avrRpt2 [61]. Με βάση το παραπάνω εύρημα και τις σχέσεις μεταξύ ATG6, HRPCD και NPR1, προτάθηκε μια υπόθεση σχετικά με τα ATG που συμμετέχουν στον μεταβολισμό NPR1 (Εικόνα 1): Το ATG6 μπορεί να προάγει την πυρηνική μετατόπιση του NPR1 επηρεάζοντας το επίπεδο φωσφορυλίωσης του NPR1, ενώ το ATG4 μπορεί να έχει το αντίθετο αποτέλεσμα.

Συνεισφορές συγγραφέα:

Η ιδέα του άρθρου συνελήφθη από τους SH και BZ. η δομή του χειρογράφου σχεδιάστηκε από τους SH και BZ. Οι πίνακες και οι γραφικές εργασίες δημιουργήθηκαν από την SH. συγγραφή—αναθεώρηση και επεξεργασία, SH, BZ και WC Όλοι οι συγγραφείς έχουν διαβάσει και έχουν συμφωνήσει με τη δημοσιευμένη έκδοση του χειρογράφου.

Χρηματοδότηση:

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας [αριθμός επιχορήγησης 31570256] και το έργο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Guangzhou (Αρ. επιχορήγησης 201805010002).

Ευχαριστίες:

Ευχαριστούμε τον Wentao Huang (Κανονικό Πανεπιστήμιο της Νότιας Κίνας, Κίνα), τον Xue Li (Κανονικό Πανεπιστήμιο της Νότιας Κίνας, Κίνα) και τον Chengqian Zhou (Εργαστήριο Νευροεπιστημών, Ερευνητικό Ινστιτούτο Hugo Moser στο Kennedy Krieger, Baltimore MD 21205, ΗΠΑ).

Σύγκρουση συμφερόντων:

Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι δεν υπάρχει σύγκρουση συμφερόντων.

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Jones, J.; Dangl, JL Το ανοσοποιητικό σύστημα των φυτών. Nature 2006, 444, 323–329. [CrossRef]

2. Dangl, JL; Jones, J. Φυτικά παθογόνα και ολοκληρωμένες αμυντικές αποκρίσεις στη μόλυνση. Nature 2001, 411, 826–833. [CrossRef] [PubMed]

3. Muthamilarasan, Μ.; Prasad, M. Φυτική έμφυτη ανοσία: Μια ενημερωμένη εικόνα του αμυντικού μηχανισμού. J. Biosci. 2013, 38, 433-449. [CrossRef] [PubMed]

4. Dodds, PN; Rathjen, JP Ανοσία φυτών: Προς μια ολοκληρωμένη άποψη των αλληλεπιδράσεων φυτού-παθογόνου. Nat. Αιδ. Genet. 2010, 11, 539–548. [CrossRef] [PubMed]

5. Gomez-Gomez, L.; Boller, T. Flagellin Perception: Ένα παράδειγμα για την έμφυτη ανοσία. Trends Plant Sci. 2002, 7, 251-256. [CrossRef]

6. Chinchilla, D.; Zipfel, C.; Robatzek, S.; Kemmerling, Β.; Nurnberger, Τ.; Jones, JD; Felix, G.; Boller, Τ. Ένα σύμπλοκο που προκαλείται από μαστιγίνες του υποδοχέα FLS2 και BAK1 ξεκινά την άμυνα των φυτών. Nature 2007, 448, 497–500. [CrossRef]

7. Nguyen, QM; Iswanto, ABB; Son, GH; Kim, SH Πρόσφατες εξελίξεις στην ανοσία που προκαλείται από τελεστές στα φυτά: Νέα κομμάτια στο παζλ Δημιουργήστε ένα διαφορετικό παράδειγμα. Int. J. ΜοΙ. Sci. 2021, 22, 4709. [CrossRef]

8. Chisholm, ST; Coaker, G.; Ημέρα, Β.; Staskawicz, BJ Αλληλεπιδράσεις ξενιστή-μικροβίου: Διαμόρφωση της εξέλιξης της ανοσολογικής απόκρισης των φυτών-ScienceDirect. Cell 2006, 124, 803-814. [CrossRef] [PubMed]

9. Ngou, BPM; Ahn, HK; Ding, Ρ.; Redkar, Α.; Brown, Η.; Ενδέχεται.; Youles, Μ.; Tomlinson, L.; Jones, έκφραση AvrRps4 που προκαλείται από την οιστραδιόλη JDG αποκαλύπτει διακριτές ιδιότητες της ανοσίας που προκαλείται από τελεστές που προκαλείται από τη μεσολάβηση TIR-NLR. J. Εχρ. Bot. 2020, 71, 2186–2197. [CrossRef]

10. Kumar, J.; Ramlal, Α.; Kumar, Κ.; Rani, Α.; Mishra, V. Signaling Pathways and Downstream Effectors of Host Innate Immunity in Plants. Int. J. ΜοΙ. Sci. 2021, 22, 9022. [CrossRef] [PubMed]

11. Jebanathirajah, JA; Peri, S.; Pandey, A. Πρωτεΐνες που περιέχουν περιοχή υποδοχέα Toll και ιντερλευκίνης{-1 σε φυτά: Μια γονιδιωματική προοπτική. Trends Plant Sci. 2002, 7, 388–391. [CrossRef]

12. Monteiro, F.; Nishimura, MT Δομική, λειτουργική και γονιδιωματική ποικιλομορφία φυτικών πρωτεϊνών NLR: Μια εξελιγμένη πηγή για την ορθολογική μηχανική της φυτικής ανοσίας. Annu. Σεβ. Φυτοπαθολ. 2018, 56, 243–267. [CrossRef]

13. Hofius, D.; Schultz-Larsen, Τ.; Joensen, J.; Τσιτσιγιάννης, Δ.Ι. Petersen, NHT; Mattsson, Ο.; Jørgensen, LB; Jones, JDG; Mundy, J.; Petersen, M. Τα αυτοφαγικά συστατικά συμβάλλουν στον υπερευαίσθητο κυτταρικό θάνατο στο Arabidopsis. Cell 2009, 137, 773-783. [CrossRef]

14. Ve, Τ.; Williams, SJ; Kobe, B. Δομή και λειτουργία τομέων υποδοχέα/πρωτεΐνης αντίστασης Toll/ιντερλευκίνης-1 (TIR). Apoptosis 2015, 20, 250–261. [CrossRef]

15. Sun, Υ.; Zhu, YX; Balint-Kurti, PJ; Wang, GF Fine-Tuning Immunity: Players and Regulators for Plant NLRs. Trends Plant Sci. 2020, 25, 695–713. [CrossRef]

16. Ngou, BPM; Ahn, HK; Ding, Ρ.; Jones, JDG Αμοιβαία ενίσχυση της ανοσίας των φυτών από την κυτταρική επιφάνεια και τους ενδοκυτταρικούς υποδοχείς. Nature 2021, 592, 110–115.

17. Yuan, Μ.; Jiang, Ζ.; Μεγάλο.; Nomura, Κ.; Liu, Μ.; Αυτός, SY; Zhou, J.-M.; Xin, X.-F. Απαιτούνται υποδοχείς αναγνώρισης προτύπων για φυτική ανοσία που προκαλείται από NLR. Nature 2021, 592, 105–109. [PubMed]

18. Yuan, Μ.; Ngou, BPM; Ding, Ρ.; Xin, XF PTI-ETI crosstalk: Μια ολοκληρωμένη άποψη της φυτικής ανοσίας. Curr. Γνώμη. Plant Biol. 2021, 62, 102030. [CrossRef]

19. Ryals, JA; Neuenschwander, UH; Willits, MG; Μολίνα, Α.; Steiner, HY; Hunt, MD Συστημική επίκτητη αντίσταση. Plant Cell 1996, 8, 1809-1819. [CrossRef] [PubMed]

20. Shine, MB; Xiao, X.; Kachroo, Ρ.; Kachroo, A. Μηχανισμοί σηματοδότησης που κρύβουν τη συστημική επίκτητη αντίσταση σε μικροβιακά παθογόνα. Plant Sci. 2019, 279, 81–86. [CrossRef] [PubMed]

21. Kohler, Α.; Το Conrath, SU Benzothiadiazole-Induced Priming για ενισχυμένες αποκρίσεις σε μόλυνση από παθογόνο, τραυματισμό και διείσδυση νερού στα φύλλα Απαιτεί το γονίδιο NPR1/NIM1 στο Arabidopsis. Plant Physiol. 2002, 128, 1046–1056. [CrossRef]

22. Gao, QM; Kachroo, Α.; Kachroo, P. Chemical inducers of systemic immunity in plants. J. Εχρ. Bot. 2014, 65, 1849–1855. [CrossRef]

23. Gao, QM; Zhu, S.; Kachroo, Ρ.; Kachroo, A. Ρυθμιστές σήματος συστημικής επίκτητης αντίστασης. Εμπρός. Plant Sci. 2015, 6, 228. [CrossRef] [PubMed]

24. Chen, L.; Wang, WS; Wang, Τ.; Meng, XF; Chen, TT; Huang, XX; Li, YJ; Hou, BK Methyl Salicylate Glucosylation Ρυθμίζει τη σηματοδότηση της άμυνας των φυτών και τη συστημική επίκτητη αντίσταση. Plant Physiol. 2019, 180, 2167–2181. [CrossRef] [PubMed]

25. Pieterse, CMJ; Van der Does, D.; Zamioudis, C.; Leon-Reyes, Α.; Van Wees, SCM Hormonal Modulation of Plant Immunity. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2012, 28, 489–521. [CrossRef]

26. Kiefer, IW; Slusarenko, AJ Το μοτίβο της συστημικής επίκτητης επαγωγής αντίστασης εντός του ροζέτα Arabidopsis σχετικά με το πρότυπο της μετατόπισης. Plant Physiol. 2003, 132, 840–847. [CrossRef] [PubMed]

27. Bernsdorff, F.; Doring, AC; Gruner, Κ.; Schuck, S.; Brautigam, Α.; Zeier, J. Pipecolic Acid Ενορχηστρώνει Συστημική Επίκτητη Αντίσταση Φυτών και Άμυνα μέσω Διαδρομών Εξαρτημένων από Σαλικυλικό Οξύ και Ανεξάρτητων Διαδρομών. Plant Cell 2016, 28, 102-129. [CrossRef]

28. Tian, ​​Η.; Zhang, Y. The Emergence of a Mobile Signal for Systemic Acquired Resistance. Plant Cell 2019, 31, 1414–1415. [CrossRef]

29. Van Loon, LC; Rep, Μ.; Pieterse, CM Σημασία επαγώγιμων πρωτεϊνών που σχετίζονται με την άμυνα σε μολυσμένα φυτά. Annu. Σεβ. Φυτοπαθολ. 2006, 44, 135–162. [CrossRef]

30. Mou, Ζ.; Ανεμιστήρας, WH; Dong, XN Οι επαγωγείς φυτικής συστημικής επίκτητης αντίστασης ρυθμίζουν τη λειτουργία NPR1 μέσω αλλαγών οξειδοαναγωγής. Cell 2003, 113, 935-944. [CrossRef]

31. Spoel, SH; Mou, ZL; Tada, Υ.; Spivey, NW; Genschik, Ρ.; Ο κύκλος εργασιών του συνενεργοποιητή μεταγραφής NPR1 με τη μεσολάβηση του πρωτεασώματος XNA, Dong, παίζει διπλό ρόλο στη ρύθμιση της ανοσίας των φυτών. Cell 2009, 137, 860–872. [CrossRef]

32. Wenig, Μ.; Ghirardo, Α.; Sales, JH; Pabst, ES; Breitenbach, HH; Antritter, F.; Weber, Β.; Lange, Β.; Lenk, Μ.; Cameron, RK; et al. Τα δίκτυα αντίστασης που αποκτώνται από το σύστημα ενισχύουν τα εναέρια αμυντικά στοιχεία. Nat. Commun. 2019, 10, 3813. [CrossRef]

33. Riedlmeier, Μ.; Ghirardo, Α.; Wenig, Μ.; Knappe, C.; Koch, Κ.; Georgii, Ε.; Dey, S.; Parker, JE; Schnitzler, JP; Vlot, AC Μονοτερπένια Υποστήριξη Συστημικής Επίκτητης Αντίστασης εντός και μεταξύ των φυτών. Plant Cell 2017, 29, 1440–1459. [CrossRef]

34. Michaeli, S.; Galili, G. Αποικοδόμηση οργανιδίων ή συγκεκριμένων συστατικών οργανιδίων μέσω εκλεκτικής αυτοφαγίας σε φυτικά κύτταρα. Int. J. ΜοΙ. Sci. 2014, 15, 7624–7638. [CrossRef]

35. Rubinsztein, DC; Shpilka, Τ.; Elazar, Z. Mechanisms of autophagosome biogenesis. Curr. Biol. 2012, 22, 29–34. [CrossRef] [PubMed]

36. Weidberg, Η.; Shvets, Ε.; Elazar, Z. Βιογένεση και εκλεκτικότητα φορτίου αυτοφαγοσωμάτων. Annu. Rev. Biochem. 2011, 80, 125–156. [CrossRef]

37. Marshall, RS; Vierstra, RD Autophagy: The Master of Bulk and Selective Recycling. Annu. Rev. Plant Biol. 2018, 69, 173–208. [CrossRef]

38. Mizushima, Ν.; Yoshimori, Τ.; Ohsumi, Y. Ο ρόλος των πρωτεϊνών Atg στον σχηματισμό αυτοφαγοσωμάτων. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2011, 27, 107–132. [CrossRef] [PubMed]

39. Zhang, HZ Prediction of the Function of Autophagy-related Genes (ATGs) in Development and Abbiotic Stress Based on Expression Profiling in Arabidopsis. Jiyinzuxue Yu Yingyong Shengwuxue (Genom. Appl. Biol.) 2020, 39, 2671–2682.

For more information:1950477648nn@gmail.com