植物の自己防衛

植物の自己防衛

ソークの科学者は細菌感染に対する異常な植物の免疫反応を特徴づける

ラホーヤ—健康な緑の葉に茶色の斑点が見られる場合は、細菌感染の拡大を防ごうとする植物の免疫反応を目撃している可能性があります。 一部の植物は他の植物よりもそのような感染症に対してより耐性があり、植物生物学者はその理由を理解したいと考えています。 SOBER1と呼ばれる植物タンパク質を研究しているソーク研究所の科学者たちは、直観に反して、植物が感染に対する抵抗力を弱めると思われるメカニズムのXNUMXつを最近発見した。

に登場した作品は、 ネイチャー·コミュニケーションズ 19年2017月XNUMX日に発表された論文は、植物の抵抗性全般に光を当て、植物の自然免疫を強化したり、農作物全体を破壊する恐れのある感染症をより効果的に封じ込めたりする戦略につながる可能性がある。

「植物を枯らす細菌により、作物の収量には多くの損失が発生している」と論文の上級著者は述べている ジョアン・チョリー、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者、ソークの植物分子細胞生物学研究所の所長、そして2018年の生命科学ブレークスルー賞受賞者。 「この研究により、私たちは抵抗がどのように機能するかの根本的なメカニズムを理解し、それがどれほど一般的であるかを確認することを目指しました。」

植物が細菌感染と戦う方法の XNUMX つは、細菌タンパク質が検出された植物自身の細胞を殺すことです。 しかし、一部の細菌は、アセチル基と呼ばれる小さな無力化化学タグを免疫分子に付加することで植物の免疫反応を抑制する特別なタンパク質を注入するという対抗戦略を進化させた。 このプロセスはアセチル化と呼ばれます。 特定の植物がこれらの細菌対策に抵抗できるのに、他の植物が感染に負けてしまう理由は依然として不明です。

このような病原体と植物の相互作用をより深く理解する手段として、チョリーのチームはよく研究されている雑草に注目しました。 シロイヌナズナ そして特に、SOBER1と呼ばれる酵素は、AvrBsTとして知られる細菌タンパク質に対する雑草の免疫応答を抑制することが以前に報告されていた。 感染抵抗性を研究するために免疫抑制を利用するのは直観に反しているように思えるかもしれないが、そうすることで有益な情報が得られる可能性があるとソークの生物学者らは考えた。

研究者らは、SOBER1のアミノ酸配列、つまりタンパク質に基本的なアイデンティティを与える構成要素の特定の順序を決定することから始めた。 興味深いことに、彼らはそれが癌経路に関連するヒトの酵素に非常に似ていることを発見した。 この酵素には、特定の種類の修飾を受けたタンパク質が入り込み、酵素反応の一部として切断できる特徴的なトンネルが含まれています。 SOBER1 は、アルファ/ベータ加水分解酵素として知られる広大なタンパク質スーパーファミリーの一部として分類できることがわかりました。 これらの酵素は共通のコア構造を共有していますが、脂肪の分解から過酸化物と呼ばれる化学物質の解毒に至るまで、それらが触媒する化学反応において非常に柔軟です。

次に、彼らはX線結晶構造解析と呼ばれる100年以上前の技術を使用して、SOBER1の三次元構造を決定した。 人間の酵素と似ていますが、植物酵素のトンネルには上部から突き出たXNUMXつの余分なアミノ酸がありました。XNUMXつは入り口に、もうXNUMXつは中央にありました。

「それらを見たとき、それらは基本的にトンネルをブロックするので、機能に劇的な影響を与えるに違いないと気づきました」と、ソークの研究員で共著者のマルコ・ビュルガーは言う。

その目的を解明するために、ビュルガー氏と共著者の共同研究員でもあるビョルン・ヴィリゲ氏は、さまざまな長さの基質（酵素が作用する分子）を使用し、それらが酵素にどの程度適合するか、また切断できるかどうかを生化学的にテストした。 。 特定のタイプ (非常に短いアセチル基) のみが適合し、切断されました。 これは、SOBER1 がデアセチラーゼ、つまりアセチル基を除去する酵素の一種であることを示唆しました。 さらに、チームは SOBER1 を変異させ、閉ざされていたトンネルを開いた。 この変更により、Bürger と Willige は、短いアセチル基に対する強い特異性を失い、代わりに長い基質を優先する酵素を設計しました。

「最初の生化学実験では、確立された人工基質を使用しました」とウィリゲ氏は言います。 「しかし次に私たちは植物で何が起こるかを知りたかったのです。」

このために、彼らは扱いやすい大きな葉を持つタバコ植物と、アセチル化を引き起こすことが知られているAvrBsTと呼ばれるタンパク質を持つ細菌を使用した。 彼らは、SOBER1 および酵素のいくつかの変異した (したがって機能しない) バージョンとともに、タバコの葉のさまざまな領域で AvrBsT を生成しました。

AvrBsTを生成する葉には死んだ組織の茶色の斑点があった、これは、AvrBsTが病原体の全身拡散を抑制するために細胞死プログラムを開始したことを示している。 SOBER1 とともに AvrBsT を生成した葉は健全に見え、SOBER1 が AvrBsT の作用を逆転させたことを示しています。 驚くべきことに、トンネルが開いた変異型 SOBER1 では、組織の死滅を防ぐことができませんでした。 このことから、研究者らは、脱アセチル化が植物の免疫反応の抑制につながる根本的な化学反応であるに違いないと結論付けました。

タバコ試験は、SOBER1 が細菌タンパク質によって付加されたアセチル基を除去する脱アセチラーゼであるという考えを裏付けました。 タンパク質にアセチル基がタグ付けされていないと、植物はタンパク質を異物として認識せず、細胞を殺す免疫反応を開始しませんでした。 細胞が死滅していないため、葉はより健康に見えました。

「SOBER の機能は驚くべきものです。なぜなら、感染した組織を生かし続け、植物を危険にさらすからです」と、ソーク大学で植物生物学のハワード H. ニューマンおよびマリアム R. ニューマンの議長も務めるチョリーは言う。 「しかし、私たちはこの種のメカニズムを理解し始めたばかりであり、SOBER1 の作用が有益となる状況が存在する可能性は十分にあります。」

さらなる試験により、SOBER1の活性と機能が雑草に限定されないことが示されました。 シロイヌナズナだけでなく、アブラナと呼ばれる植物にも存在しており、チョリーの研究室の発見が農作物やバイオ燃料資源に応用できる可能性があることを示しています。

Bürger 氏と Willige 氏は次に、SOBER1 をブロックして植物が病原性細菌に対して完全な免疫応答を行えるようにする化学阻害剤のスクリーニングを開始したいと考えています。

この研究は、ハワード・ヒューズ医学研究所、ドイツ科学研究所、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラム、およびパイオニア博士研究員基金から資金提供を受けました。