Pochopenie a využitie posttranslačných úprav pre odolnosť rastlín voči chorobám, časť 1

Abstrakt:

Rastliny sú neustále ohrozované patogénmi, preto sa vyvinuli komplexné obranné signalizačné siete na prekonanie útokov patogénov. Posttranslačné modifikácie (PTM) sú základom imunity rastlín a umožňujú rýchle a dynamické reakcie vo vhodnom čase. Regulácia PTM je nevyhnutná; patogénne efektory často narúšajú PTM v snahe vyhnúť sa imunitným reakciám.

Tu sa zaoberáme mechanizmami odolnosti chorôb voči patogénom a tým, ako je rast vyvážený s obranou, so zameraním na základné úlohy PTM. Zmena PTM súvisiacich s obranou má potenciál doladiť molekulárne interakcie na produkciu plodín odolných voči chorobám bez kompromisov v raste a kondícii.

Mechanizmy rezistencie úzko súvisia s imunitou. Mechanizmy rezistencie zahŕňajú obranný systém tela proti baktériám, vírusom a iným cudzorodým látkam, najmä vrátane kožných a slizničných bariér, nešpecifickej bunkovej obrany, zápalových reakcií a špecifickej imunitnej obrany. Rezistencia úzko súvisí s imunitou. Imunitu musíme zlepšiť aj v každodennom živote. Mäsová pasta obsahuje rôzne biologicky aktívne zložky, ako sú polysacharidy, huby a žlté ľalie. Tieto zložky môžu stimulovať imunitný systém rôznych typov buniek, čím zvyšujú ich imunitnú aktivitu.

Kliknite na doplnok cistanche deserticola

Kľúčové slová:

post-translačné modifikácie; imunita rastlín; fosforylácia; ubikvitinácia; SUMOylácia; obrana.

1. Úvod

Rast a prežitie rastlín sú neustále ohrozené biotickým stresom, vrátane rastlinných patogénov pozostávajúcich z vírusov, baktérií, húb a chromista. V kontexte poľnohospodárstva sa celosvetové straty na výnosoch plodín v dôsledku patogénov pri základných plodinách odhadujú na 20 % [1]. Šírenie škodcov a chorôb do nových prostredí sa zvyšuje: extrémnejšie poveternostné udalosti spojené so zmenou klímy vytvárajú priaznivé prostredie pre patogény prenášané potravinami a vodou [2,3].

Významné odhady strát plodín spôsobených patogénmi zdôrazňujú potrebu vyvinúť plodiny s vlastnosťami odolnosti voči chorobám proti súčasným a novým patogénom. Metódy ochrany plodín majú nízku účinnosť proti patogénom, medzi ktoré patria fungicídy a insekticídy, ktoré kontrolujú prenos vírusov hmyzu; navyše sa zvyšuje odolnosť voči týmto chemikáliám [4,5]. Rezistencia sa vzťahuje na neschopnosť patogénu dokončiť svoj životný cyklus na danom rastlinnom druhu [6]; zameranie sa na rezistenciu hostiteľa na zlepšenie je najúspornejšou a najefektívnejšou metódou na kontrolu zníženia strát plodín spôsobených chorobami [7–9].

Vývoj nových riešení tohto rastúceho problému si vyžaduje hlbšie pochopenie obranných mechanizmov rastlín. Okrem génovej expresie a transkriptomiky je proteomika obzvlášť užitočná, pretože môže priamo merať relatívnu abundanciu proteínov, ako aj detegovať posttranslačné modifikácie (PTM) [10]. PTM môžu aktivovať, deaktivovať alebo zmeniť funkciu proteínu, aby vyvolali alebo zoslabili špecifické reakcie rastlín. Analýza na úrovni proteínov môže odhaliť ciele patogén-hostiteľ, obrat proteínov a interakcie proteín-proteín v obrannej signalizácii na modifikáciu a posilnenie imunity v plodinách [11]. Tento prehľad načrtáva funkcie PTM v imunite a potenciál manipulovať s PTM na zvýšenie odolnosti voči chorobám.

2. Rámec obrany rastlín

Vzhľadom na svoju prisadnutú povahu sa rastliny vo veľkej miere spoliehajú na chemickú obranu proti biotickým a abiotickým stresom [11]. Rastliny sú neustále vystavené biotickým stresom: patogénna infekcia poškodzuje rast rastlín, reprodukciu a prežitie. Rastliny majú obranné systémy na prekonanie alebo zníženie útokov patogénov, ktoré zahŕňajú fyzické bariéry na zabránenie vstupu patogénov a vrodený imunitný systém, ktorý reaguje na útoky patogénov [12].

Indukovateľný vrodený imunitný systém rastlín sa skladá z imunity spúšťanej PAMP (PTI) a imunity spúšťanej efektorom (ETI), ktoré sa výrazne prekrývajú (obrázok 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) sa používa ako prevládajúci modelový systém na štúdium molekulárnych udalostí obrannej signálnej dráhy, ale celkový systém je konzervovaný v jednoklíčnolistových a dvojklíčnolistových rastlinách [17]. Konzervované molekulárne štruktúry mikróbov známe ako molekulové vzory súvisiace s patogénmi (PAMP) sú rozpoznávané receptormi na rozpoznávanie vzorov na povrchu buniek (PRR), ktoré spúšťajú imunitné reakcie v smere prúdenia [13,18,19]. Dobre definované interakcie PAMP-PRR sú bakteriálny bičíkový peptid flg22 a jeho príbuzný receptor FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], bakteriálny elongačný faktor tepelne nestabilný (EFTu) a jeho receptor EF-Tu receptor (EFR) [22, 23] a polysacharid chitín bunkovej steny húb a jeho receptor CHITÍNOVÝ ELICITOR RECEPTOR KINÁZY 1 (CERK1) [24,25]. Tieto PRR sú receptorom podobné kinázy, ktoré iniciujú fosforylačnú kaskádu na aktiváciu obranných enzýmov alebo génov [26] (obrázok 1).

Patogén vylučuje niekoľko efektorov, aby narušili bunkovú funkciu počas infekcie. Na rozdiel od PAMP sú efektory rôznorodé a zahŕňajú proteíny, sRNA, chemikálie, toxíny a hormóny, ktoré zvyšujú infekciu patogénom tým, že prospievajú patogénu alebo potláčajú obranu hostiteľa. Intracelulárne receptory nazývané doména viažuca nukleotidy, proteíny obsahujúce opakovanie bohaté na leucín (NLR, tiež známe ako NB-LRR) detegujú špecifické efektory dodávané do rastlinnej bunky na spustenie efektorom spúšťanej imunity (ETI). NLR môžu samy detegovať efektory alebo fungovať ako pomocníci pri spúšťaní prenosu signálu [27]. Detekcia pomocou NLR je buď priamo (model receptor-ligand), alebo vo väčšine prípadov nepriamo prostredníctvom mechanizmu „stráženia“ alebo „návnady“ [28,29]. Dve hlavné skupiny NLR sú Toll-interleukín{10}} receptor podobný nukleotidovému väzbovému miestu bohatému na leucín (TNL) a coiled-coil (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Okrem toho odolnosť voči múčnatke 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) funguje ako pomocné NLR [31,32]. Proteíny v smere aktivácie NLR zahŕňajú NERASOVÚ ODOLNOSŤ OCHORENIA 1 (NDR1) a ZVÝŠENÁ CITLIVOSŤ NA OCHORENIE 1 (EDS1) [33] (obrázok 1). Tieto cesty vedú k výsledkom vrátane akumulácie kyseliny salicylovej a aktivácie obranného génu [34,35].

Molekulárne a fyziologické zmeny indukované downstream od PRR a NLR zahŕňajú aktiváciu mitogénom aktivovanej proteínkinázy (MAPK), produkciu reaktívnych foriem kyslíka (ROS), uzavretie prieduchov, expresiu obranného génu, hypersenzitívnu odpoveď (HR) a bunkovú smrť, ukladanie kalózy a lignifikáciu zníženie fotosyntézy, zvýšené dýchanie a expresia proteínov súvisiacich s PATOGENÉZOU (PR) a produkcia antimikrobiálnych zlúčenín [10,11,36–38]. Vnímanie patogénu spúšťa zmeny v hladinách hormónov vrátane kyseliny salicylovej (SA), ktorá sprostredkúva obranu proti biotrofom a hemibiotrofom, a kyseliny jasmonovej (JA)/etylénu, ktorá sprostredkúva obranu proti nekrotrofom [39].

Pochopenie obrannej reakcie rastlín v modelovom organizme Arabidopsis alebo plodinách nie je úplné. Mnohé štúdie sa opierali o genomiku alebo transkriptomiku; transkripčné zmeny však neodrážajú kompletné bunkové regulačné procesy, pretože posttranskripčné procesy, ktoré menia množstvo aktívneho proteínu, syntéza, degradácia, spracovanie a modifikácia proteínov, sa neberú do úvahy.

Na získanie úplného obrazu o regulačných prvkoch v interakciách medzi rastlinami a patogénmi sú teda potrebné doplnkové prístupy, ako je profilovanie expresie založené na proteómoch [40]. Takmer v každom štádiu obrany sú dôležité PTM, ktoré umožňujú rýchlu aktiváciu a signalizáciu; PTM pôsobia ako molekulárne prepínače, ktoré rýchlo menia funkcie proteínov [41,42]. Tento prehľad sa okrem iných prístupov zaoberá PTM pri zlepšovaní plodín. Modifikácia PTM môže ponúknuť jemnejší prístup a vyvolať menšiu penalizáciu ako génový knockout alebo zavedenie génu.

3. Posttranslačné úpravy zohrávajú v obrane rozhodujúcu úlohu

Post-translačné modifikácie sú rozhodujúce pre obranné reakcie rastlín a sú zahrnuté takmer v každom aspekte rastu a vývoja rastlín. PTM umožňujú rozšírenie funkcie proteínu nad štruktúru jeho štruktúry určenej primárnou aminokyselinovou sekvenciou, aby sa kontrolovali takmer všetky charakteristiky funkcie proteínu. PTM systémy sú zacielené mnohými patogénnymi efektormi; PTM sa teda oplatí preskúmať z hľadiska modifikácie a využívania v plodinách. Táto práca sa zameria na fosforyláciu, ubikvitináciu a SUMOyláciu, najlepšie preštudované PTM, ktoré sú reverzibilné (obrázok 2). Iné, ktoré treba stručne spomenúť, sú N-myristoylácia, S-acylácia, S-nitrozylácia, acetylácia, glykozylácia, sulfonácia a redoxná modifikácia, ktoré majú tiež úlohu v imunite [42,43], ale nie sú zahrnuté v tomto prehľade. Reverzibilita je rozhodujúca pre reguláciu intenzity a trvania proteínovej aktivity a obrannej odpovede [44].

Obrázok 2. Posttranslačné modifikačné dráhy. Fosforylácia je proces katalyzovaný proteínkinázami, pri ktorom sa fosfátová skupina (PO4) prenesie z ATP na hydroxylové skupiny postranného reťazca na serínových, treonínových alebo tyrozínových zvyškoch na cieľovom proteíne. Fosfatázy hydrolyzujú fosfodiesterovú väzbu, aby sa odstránila fosfátová skupina. Ubikvitinácia zahŕňala postupné pôsobenie enzýmov aktivujúcich ubikvitín (E1), enzýmov konjugujúcich ubikvitín (E2) a ubikvitín-proteínových ligáz (E3) na kovalentné pripojenie ubikvitínu na cieľový lyzín.

Rôzne ubikvitínové pripojovacie väzby a dĺžky reťazcov majú rôzne funkcie; napríklad K48-viazaný tetraubikvitín sa zameriava na proteín pre 26S proteazomálnu degradáciu. Deubikvitinačné enzýmy (DUB) katalyzujú deubikvitináciu. SUMOylácia je analogická s ubikvitináciou a zahŕňa postupné pôsobenie enzýmov SUMO E1, E2 a E3 na kovalentné pripojenie SUMO na cieľový lyzín. SUMO sa syntetizuje ako neaktívny prekurzor, ktorý má svoj C-koncový peptid štiepený SUMO proteázou, ktorá exponuje di-glycínový motív. SUMO proteázy tiež katalyzujú odstránenie SUMO.

3.1. Fosforylácia

Fosforylácia je prvoradá v niekoľkých aspektoch imunity na kontrolu aktivity enzýmov a pri signalizácii. Fosforylácia je rozhodujúca v následných reakciách PRR prostredníctvom fosforylačných kaskád; fosforylácia je rýchly a prechodný prepínač (obrázok 2) a je nevyhnutný pri transdukcii imunitného signálu [42]. Vnímanie ligandu v niekoľkých PRR stimuluje nábor koreceptorovej BRI1-APSOCIOVANEJ RECEPTOROVEJ KINÁZY (BAK1) (tiež známej ako SOMATICKÁ EMBRYOGENÉZNA RECEPTOROVÁ KINÁZA 3 (SERK3)), ktorá sa heterodimerizuje s niekoľkými receptorovými kinázami (RLK) vrátane FLS2 , BRASSINOSTEROID INSENSITIVE-1 (BRI1) a EFR [45]. BAK1 je rozdielne fosforylovaný, keď je v komplexe s rôznymi komplexmi PRR [46]. BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1 (BIK1) je substrátom BAK1 a pár sa vyskytuje v mnohých obranných signálnych dráhach. Autofosforylácia a transfosforylácia sú nevyhnutné pre BIK1 aj BAK1 v ich interakcii a interakcii s ďalšími downstream zložkami pri prenose signálu [45]. Disociácia BIK1 aktivuje downstream signalizáciu, ako je aktivácia MAPK kaskád, transkripčné preprogramovanie a produkcia ROS [47,48]. BIK1 priamo fosforyluje homológny proteín D respiračného vzplanutia oxidázy (RbohD), NADPH oxidázu, ktorá produkuje ROS vzplanutie na indukciu stomatálneho uzáveru a pôsobí ako antimikrobiálne molekuly [49,50].

BAK1 je kľúčovou kinázou v rastlinnej imunite, ktorá má množstvo fosforylačných miest, aby regulovala špecifické výstupy, ako ukazujú štúdie mutagenézy. Niektoré miesta fosforylácie majú pozitívne účinky a niektoré negatívne účinky na funkciu BAK1 [51,52]. Mutácia T455A (treonín-na-alanín) ruší aktivitu kinázy BAK1 a konzervovaný zvyšok BAK1 Y403 je dôležitý pre aktiváciu komplexu imunitných receptorov indukovanú ligandom [53]. Vzory fosforylácie sú špecifické na sprostredkovanie odpovede, ktorá umožňuje BAK1 regulovať obranu a signalizáciu brassinosteroidov.

Napríklad sa navrhlo, že špecifické BAK1 mutantné varianty BAK1C408Y a BAK1T450A vyvolávajú rozdielne vzory fosforylácie na špecifických receptoroch. Tento záver bol vyvodený, pretože mutantné fenotypy BAK1C408Y a BAK1T450A vykazujú zhoršenú obrannú signalizáciu, ale so signalizáciou brassinosteroidmi (BR) sprostredkovanou divokým typom (WT) podobnou BAK1- [53,54]. Tieto fenotypy sa líšia od nulovej alely BAK1; teda jasné mutácie v špecifických zvyškoch môžu zmeniť fenotyp [46,55]. Je zaujímavé, že mutácia v C408 znížila fosforyláciu Y403, ukázanú pomocou špecifickej protilátky pY403, čo zdôrazňuje, že zvyšky obklopujúce miesto pripojenia PTM môžu ovplyvniť stav PTM [56]. Tento prístup mutagenézy k potenciálne mutovaným zvyškom obklopujúcim PTM by mohol byť výhodný na stabilizáciu/destabilizáciu PTM bez blokovania tvorby PTM, aby sa za určitých okolností znížili alebo zvýšili interakcie.

Je jasné, že fosforylácia je základom obrany pri prenose signálu [57]; aktivácia MAPK MPK3, MPK4 a MPK6 (MPK3/4/6) je charakteristickým znakom aktivácie imunitného systému a je rozhodujúca pre stanovenie odolnosti voči chorobám [58]. Všetky známe PRR aktivujú dve MAPK kaskády (obrázok 1) pozostávajúce z MAPK kinázy (MKKK), MAPK kinázy (MKK) a MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, ktorá pozitívne reguluje obrana a MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, ktorá negatívne reguluje imunitné odpovede [58–62]. Fosforylácia downstream substrátov, ako sú transkripčné faktory WRKY, spôsobuje transkripčné zmeny [63]. Napríklad WRKY33 je substrát MPK3/6, ktorý aktivuje transkripciu PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) kódujúceho enzým cytochróm P450 (CYP71B15), ktorý vykonáva posledný krok biosyntézy kamalexínu, čo spôsobuje indukciu kamalexínu, ktorý má antimikrobiálne účinky [63 ,64].

Okrem toho je aktivácia MPK3/6 kritická pre zahrnutie inhibície fotosyntézy na podporu akumulácie ROS v chloroplastoch a smrti HR buniek [65]. Okrem toho je MPK4 cielený efektorom HopAI1 bakteriálneho typu III Pseudomonas syringae a pôsobí ako strážca NLR SUPPRESSOR MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Narušenie kaskády kinázy MEKK1-MKK1/2-MPK4 má za následok konštitutívne imunitné odpovede sprostredkované proteínom NLR SUMM2 [67].

Reverzibilita je prvoradá pre kontrolu fosforylačných stavov na reguláciu prenosu signálu, konštitutívna aktivácia obrany vedie k poruchám rastu [68]. Fosforylácia komplexov PRR vrátane FLS2-BAK1-BIK1 je negatívne regulovaná PROTEIN FOSFATASE TYP 2A (PP2A) a PROTEIN PHOSPHATAASE TYPE 2C (PP2C) [42,69,70].

Podobne CERK1-interagujúca proteínová fosfatáza 1 (CIPP1) defosforyluje CERK1 v neprítomnosti chitínu, čím negatívne reguluje signalizáciu CERK1 [71]. Fosfatázy ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) interagujú s MPK3, 4 a 6 a negatívne regulujú vrodenú imunitu proti nekrotrofickému hubovému patogénu Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINÁZOVÁ FOSFATÁZA1 (MKP1) a PROTEIN TYROZÍN FOSFATÁZA1 (PTP1) pôsobia ako represory nevhodnej MPK3/MPK6-závislej stresovej signalizácie [74,75]. Okrem toho môže fosforylácia viesť k spätnoväzbovej defosforylácii; napríklad MKP1 je fosforylovaný MPK6, jedným zo substrátov MKP1 [76].

3.2. Ubikvitinácia

Ubikvitín (Ub) je kovalentne pripojený k špecifickým lyzínovým zvyškom cieľových proteínov prostredníctvom enzymatickej kaskády, ktorá je reverzibilná (obrázok 2) [77]. Väčšina ubikvitylovaných proteínov, najmä tie, ktoré sú modifikované polyubikvitínovými reťazcami spojenými s lyzínom48(K48), je zacielená na degradáciu proteazómom 26S [78,79]. Napriek tomu má ubikvitinácia niekoľko funkcií vrátane signalizácie, prenosu endocytov atď., v závislosti od špecifickej väzby [80,81]. Ubikvitínový systém je potrebný pre vrodenú imunitu a jej reguláciu [82,83].

Napríklad expresia ubikvitínového variantu so zmenou K48R (lyzín na arginín) zabraňuje pripojeniu K48 (obrázok 2) a mení reakcie na vírusy v tabaku [82]. K48 je jedným z najhojnejších ubikvitínových pripojení, ktoré spôsobujú ubikvitínom sprostredkovanú proteazomálnu degradáciu, hoci môžu byť zahrnuté aj iné väzby [77,84]. Imunitu ovplyvňujú rôzne enzýmy ubikvitínového mechanizmu. Arabidopsis má dva Ub E1, UBIQUITIN Activating ENZYME 1 (UBA1) a UBA2, ktoré sú čiastočne nadbytočné. Nulový mutant UBA1, mos1, je defektný vo vrodenej imunite, zatiaľ čo nulové mutantné rastliny uba2 nemajú defekty v imunite. Ukázalo sa, že aktivácia a downstream signalizácia niekoľkých proteínov rezistencie (R) vyžaduje Ub E1 UBA1 [83].

Mnohé E3 ubikvitín ligázy sa podieľajú na imunite rastlín uskutočňovaním ubikvitinácie na cieľové substráty [85]. Ubikvitinácia je nevyhnutná na reguláciu hladín zložiek imunitného systému rastlín prostredníctvom obratu bielkovín, aby sa predišlo nadmerným alebo neprimeraným reakciám. Ilustruje to mutant rastlinného u-boxu 13 (pub13), ktorý má zosilnené imunitné reakcie na napadnutie patogénom alebo vnímanie flg22.

Mutant pub13 však vykazuje autoimunitné reakcie, konkrétne spôsobuje spontánnu bunkovú smrť a akumuláciu ROS v neprítomnosti stresu, čo ukazuje dôležitosť regulácie PTM [86]. Ďalej sa ukázalo, že FLS2 je špecificky polyubikvitinovaný ubikvitín E3 ligázami PUB12/13, ktoré cielia FLS2 na degradáciu. Je zaujímavé, že fosforylácia pomocou BAK1 aktivuje PUB12/13 po tom, čo FLS2 viaže bičík, čo dokazuje spätnoväzbové zoslabenie reakcií FLS2 a spoliehanie sa na viaceré PTM pri regulácii obrany [86]. Aktivita BAK1 kinázy je nevyhnutná pri sprostredkovaní jej interakcie s PUB13, pretože mutant BAK1 kinázy neaktívny, ktorý má substitúciu K317M, už nemohol interagovať s PUB13 [87]. PUB13 tiež ubikvitinuje LYSM-OBSAHUJÚCI RECEPTOR podobnú KINÁZU 5 (LYK5) a zameriava sa na jej degradáciu na reguláciu obrany spúšťanej chitínom (obrázok 1) [88]. Ub E3 ligáza PUB25/26 sa zameriava na neaktivovanú imunitnú kinázu BIK1 na degradáciu, aby modulovala hladiny BIK1 (obrázok 1) [89]. PUB4 interaguje s CERK1 a je pozitívnym regulátorom imunitných reakcií vyvolaných chitínom [90].

Nadmerná akumulácia NLR často vedie k autoimunitným reakciám. Aby sa tomu zabránilo, proteíny NLR SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) a RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) sú zamerané na ubikvitináciu a degradáciu prostredníctvom SKP1- CULLIN{{6} } komplex F-box (SCF) (Cheng et al., 2011). Na rozdiel od toho, ligázy Arabidopsis Ub E3 RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 a 3 (RIN2 a RIN3) pozitívne prispievajú k NLR REZISTENCII VOČI P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1) a RPS2-závislá HR (Kawasaki et al., 2005).

Ubikvitinácia je nevyhnutná na umožnenie aktivácie JA reakcií proti nekrotrofom. Proteíny JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) fungujú ako transkripčné represory JA-responzívnych génov [91]. Bioaktívny JA (konjugát jasmonát-izoleucín (JA–Ile)) podporuje fyzikálnu interakciu medzi komplexom ubikvitín ligázy SCFCOI1 a proteínmi JAZ, aby spôsobila ubikvitínom sprostredkovanú proteazomálnu degradáciu JAZ, aby sa umožnila expresia génov závislých od JA [91–93].

Hoci Ub E3 do značnej miery určujú substrátovú špecifickosť [94–97], substrátovú špecifickosť majú aj deubikvitinujúce enzýmy (DUB) [80,98]. To je dôležité v imunite; napríklad sa zistilo, že deubikvitinujúce enzýmy Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 a 13 (AtUBP12 a AtUBP13) negatívne regulujú imunitu rastlín [99]. UBP12 a UBP13 sú však pozitívnymi regulátormi JA odpovedí a môžu pôsobiť stabilizáciou MYC, čo vedie k tomu, že JA dráha potláča imunitu sprostredkovanú SA [100].

3.3. SUMOylácia

Okrem ubikvitínu sú polypeptidy podobné ubikvitínu kovalentne konjugované so substrátmi v eukaryotoch prostredníctvom substrátu lyzínu (obrázok 2). Malý modifikátor podobný ubikvitínu (SUMO) je ďalším dôležitým PTM zapojeným do reakcií na biotický stres rastlín. Globálne zmeny SUMOylómu sa vyskytujú pri útokoch patogénov [101–104]. Napríklad autoimunitný supresor rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mutantov vykazoval veľké zvýšenie bazálnych SUMO1/2-konjugátov, rovnako ako rastliny divokého typu vystavená Pseudomonas syringae pv. paradajka (Pst)DC3000 v porovnaní s neošetrenými rastlinami WT.

Celkovo sa zistilo, že mutant srfr{0}} a rastliny WT infikované PstDC3000 zdieľajú 57,9 percent svojich bežných substrátov SUMO, ktoré pozostávajú z rozsiahlych cieľov. Autoimunitné srfr1-4 rastliny majú zvýšené hladiny SA a konštitutívnu upreguláciu PR1/PR2 génov; je tiež pozorovaný zakrpatený rast [105]. Je významné, že strata EDS1 obnovuje SUMOylome v srfr1-4 na úrovne divokého typu (Col{12}}) a odstraňuje retardáciu rastu a autoimunitu [106]. Preto sú SUMOylácia a deSUMOylácia kľúčové pre reguláciu obrany.

Rôzne paralógy SUMO majú rôzne funkcie a u rôznych druhov existujú rôzne paralógy [107]. Pri Arabidopsis inhibuje SUMO1/2 obranné reakcie sprostredkované SA v neprítomnosti patogénu [108]. Na rozdiel od toho SUMO3 podporuje obranné reakcie rastlín v smere SA [109]. SUMO tiež vytvára nekovalentné interakcie s proteínmi prostredníctvom SUMO interagujúcich motívov (SIM), ktoré uľahčujú interakcie medzi SUMO-konjugovanými proteínmi a proteínovými partnermi s miestom (miestami) SIM pre tvorbu proteínového komplexu [107, 110].

Zmena špecifického vzoru PTM mení obranné reakcie rastliny a schopnosť odolávať chorobám. Napríklad VEĽMI TOLERANTNÁ NA SALT1 a -2 (OTS1/2) SUMO proteázový dvojitý mutant ots1ots2 akumuluje zvýšené hladiny SUMO konjugátov, vyššie hladiny SA a zvýšenú odolnosť voči PstDC3000 v porovnaní s rastlinami WT. Zistilo sa, že SUMO proteázy OTS1 a OTS2 obmedzujú biosyntézu SA potlačením expresie ISOCHORISMATE SYNTÁZE1 (ICS1) a ako mechanizmus spätnej väzby SA podporuje degradáciu OTS1 a OTS2 na moduláciu signalizácie SA [101]. Podobne mutanty SUMO proteázy skoro v krátkych dňoch 4 (esd4) majú vysokú akumuláciu SA [111]. Tieto ukazujú, že enzymatický mechanizmus SUMO reguluje obranu sprostredkovanú SA, aby primerane upravila odpoveď [101, 109].

Ďalší aspekt mechanizmu SUMO na ovplyvnenie obrany je znázornený mutantom straty funkcie sap a miz 1 (siz1) SUMO E3 ligázy Arabidopsis. Rastliny siz1 majú znížené SUMO konjugáty, trpaslík, autoimunitný fenotyp, charakterizovaný zvýšenou akumuláciou SA, zvýšenou expresiou génov EDS1, PAD4 a PATHOGENESIS-RELATED (PR) a väčšou odolnosťou voči baktériám PstDC3000 v porovnaní s rastlinami WT [112 ]. Autoimunitný fenotyp siz1 je závislý od imunitného receptora TNL SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), proteín interagujúci so SNC1-, fyzicky interaguje a je SUMOylovaný pomocou SIZ1 [115]. Mutácia K282 a K721, kritické miesta pripojenia SUMOylácie TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), naznačujú, že SUMOylácia TPR1 potláča imunitu prostredníctvom potlačenia jej transkripčnej korepresorovej aktivity.

To vedie k expresii negatívnych regulátorov imunity DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) a DND2. Okrem toho je SNC1 SUMOylovaný, čo možno ďalej pôsobí na potlačenie imunity v neprítomnosti patogénov [113, 115]. Transkripcia SNC1 je riadená SUMOyláciou, rovnako ako SNC1 je SUMOylovaný na úrovni proteínu [113] a hladina proteínu SNC1 je kontrolovaná degradáciou sprostredkovanou ubikvitínom, ako je uvedené v predchádzajúcej časti [116]. Je dôležité kontrolovať aktivitu SNC1, aby sa zabránilo nadmerným imunitným reakciám, ktoré by boli škodlivé pre rast rastlín a spôsobili poškodenie [117].

Narušenie enzymatického aparátu PTM podčiarkuje skutočnosť, že zmeny v prichytení/odstránení PTM majú hlboký vplyv na fyziológiu rastlín, vrátane regulácie obranyschopnosti.

Je zaujímavé, že zvýšená SUMOylácia v mutantoch ots1ots2 alebo znížená SUMOylácia siz1 mutantov zvýšila hladiny SA, čo naznačuje zložitosť regulácie PTM, a že regulácia SUMOylácie je kľúčom k modulácii správnej úrovne imunity. Táto prísna kontrola SUMO je ďalej zdôraznená, pretože nadmerná expresia troch génov Arabidopsis SUMO (SUM) viedla k aktivácii obranných reakcií závislých od SA, rovnako ako knockdown mutant sum1sum2 [109].

Okrem SA signalizácie má SUMO úlohu pri modulácii JA signalizácie. SUMO-konjugovaný s JAZ inhibuje JA receptor KORONATÍN INSENSITIVE1 (COI1) cez miesto COI1 SIM [118]. Pôsobenie alebo degradácia SUMO proteázy OTS1/2 určuje, či je JA odpoveď aktivovaná alebo inhibovaná, v závislosti od typu patogénu [118]. Je dôležité, že SUMOylácia interaguje s inými PTM vrátane fosforylácie a ubikvitinácie, ktoré budú uvedené v nasledujúcej časti.

3.4. Interakcia medzi PTM

Väčšina aspektov imunity je regulovaná viacerými PTM, ktoré sa často vzájomne ovplyvňujú. PTM podliehajú presluchom a sú vzájomne závislé. Jedným z prominentných príkladov je signalizácia FLS2, ktorej regulácia vyžaduje fosforyláciu, SUMOyláciu a ubikvitináciu [48,86,119]. V neinfikovaných podmienkach sa FLS2 spája s BIK1 [21,120]. Keď je detegovaný flg22, FLS2 získava koreceptorovú proteínkinázu BAK1, ktorá umožňuje BIK1 a BAK1 podstúpiť recipročnú fosforyláciu [55,121,122].

Okrem toho pri vnímaní bičíka je FLS2 SUMOylovaný na lyzíne 1120, čím sa spúšťa uvoľňovanie BIK1, čo je nevyhnutné pre obrannú reakciu sprostredkovanú FLS2-. DeSUMOylujúca izopeptidáza 3A (Desi3A) deSUMOyluje FLS2, aby negatívne reguloval imunitnú signalizáciu v neprítomnosti bičíka. Keď sa však zistí flagelín, Desi3A sa degraduje, aby sa zvýšili hladiny SUMOylovaného FLS2 a zvýšila imunitná signalizácia (obrázok 1) [48]. Okrem toho sa zistilo, že monoubikvitinácia BIK1 prispieva k ligandom indukovanej disociácii BIK1 od receptora FLS2 [123]. Ako už bolo spomenuté, PUB12/13 spúšťa degradáciu FLS2 prostredníctvom systému ubikvitín-proteazóm.

Posttranslačná modifikácia na enzýmoch strojového zariadenia PTM sa vyskytuje aj v obrane; napríklad CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 28 (CPK28) fosforyluje a aktivuje Ub E3 ligázy PUB25 a 26 na zvýšenie ubikvitinácie a proteazomálnej degradácie neaktivovaného BIK1 (obrázok 1) [89,124]. Zdá sa, že interakcie medzi Ub E3 ligázami a kinázovými doménami sú bežné pri regulácii RLK [125].

ŽIADNE GÉNY SÚVISIACE S PATOGENÉZOU ALEBO ŽIADNE (NPR1) je kľúčovým transkripčným faktorom obrany, pretože reguluje expresiu PR génov, ktoré prispievajú k vytvoreniu systémovej získanej rezistencie (SAR) [126]. Fosforylácia, SUMOylácia a ubikvitinácia sú opäť nevyhnutné pre ich funkciu pre vhodné obranné reakcie (obrázok 1). SUMOylácia interaguje s fosforyláciou na kontrolu funkcií NPR1: fosforylácia Ser55 a Ser59 zabraňuje pripojeniu NPR1 SUMO. Stav SUMOylácie NPR1 mení jeho interakciu s partnermi. NeSUMOylovaný NPR1 interaguje s WRKY70, aby potlačil expresiu PR1. Pri stimulácii patogénom akumulácia SA podporuje defosforyláciu Ser55/Ser59, čo umožňuje NPR1 stať sa SUMOyláciou, čo provokuje NPR1 k interakcii s TGA3 na podporu expresie génu PR1 [127,128].

Okrem toho je potrebná interakcia NPR1 so SUMO3 pre fosforyláciu Ser11/Ser15, ktorá spôsobuje ubikvitináciu a degradáciu komplexom NPR3 – CULLIN3 E3 pre špecifickú a prechodnú imunitnú indukciu [129]. Degradácia NPR1 je dôležitá pre celý rozsah aktivácie obranného génu a pre aktiváciu ETI a programovanú bunkovú smrť v mieste infekcie, kde sú hladiny SA vysoké [126], zatiaľ čo v susedných bunkách sú hladiny SA stredné, aby umožnili funkciu NPR1 [130]. . SA-indukované PR gény kódujú niekoľko antimikrobiálnych metabolitov vrátane endoglukanáz, chitináz, defenzínov atď. [131]. Tento citovaný príklad ukazuje, že fosforylačné miesta majú opačné funkcie a že špecifické vzory PTM poskytujú výsledky z hľadiska obrannej reakcie. Sekvenčný proces s viacerými PTM poskytuje presnejšiu kontrolu, ktorá umožňuje degradáciu sprostredkovanú ubikvitínom v správnom čase, keď nie sú detegované patogény [132]. NPR1 má funkčne zachovanú úlohu v plodinách; SUMO sa teda potenciálne podieľa na regulácii ortológov podobných Arabidopsis, ale to si vyžaduje vyšetrenie [126,133].

Medzi SUMOyláciou a ubikvitináciou existuje významný presluch, najmä ako súčasť negatívnej spätnej väzby na vyvolanie degradácie proteínu; napríklad SIZ1 môže SUMOylovať CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), čo zvyšuje trans-ubikvitinačnú aktivitu COP1, multipodjednotkovej E3 ligázy, ktorá pozitívne reguluje rezistenciu voči vírusom [134, 135]. Po SUMOylácii COP1 ubikvitinuje SIZ1, čo spôsobuje jeho degradáciu; preto ubikvitinácia reguluje bunkovú SUMOyláciu reguláciou SIZ1, ako aj ubikvitinačnej aktivity COP1 podporujúcej SIZ1 [136].

Niekoľko cieľov SUMO sa pri regulácii imunity prekrýva s cieľmi fosforylácie MAPK [137]. Niekoľko WRKY bolo identifikovaných ako ciele SUMO1 proteomikou, ako aj fosforyláciou MAPK [104]. Na podporu tohto sa ukázalo, že v reakcii na infekciu Botrytis cinerea a liečbu elicitorom flg22 je WRKY33 SUMOylovaný, čo umožňuje fosforyláciu WRKY33 pomocou MPK3/6 na aktiváciu aktivity transkripčného faktora, čo vedie k zvýšenej biosyntéze kamalexínu (obrázok 1) [138].

Je jasné, že PTM sú životne dôležité pre obranné reakcie rastlín a odolnosť voči chorobám u Arabidopsis a po tomto zistení sú PTM znázornené ako podobne dôležité v druhoch plodín a predstavujú vynikajúci zdroj, ktorý sa dá využiť pri zlepšovaní plodín. Všeobecné mechanizmy imunity sú podobné u Arabidopsis a druhov plodín spolu s triedami proteínov; avšak presné mechanizmy, interakcie, proteínové komplexy a PTM sú špecifické pre daný druh a odrodu [17]. Jedna štúdia zistila, že 1619 fosfozitov v Arabidopsis sa presne zhoduje s fosfozitmi akéhokoľvek iného rastlinného druhu, čo naznačuje určité podobnosti vo fosforylácii proteínov v Arabidopsis a plodinách [139]. V niekoľkých prípadoch vykazujú ortológy obranného proteínu zachovanú úlohu medzi rôznymi druhmi rastlín; napríklad PRR, MAPK kaskády, WRKY TF, NPR1, ubikvitín ligázy a ubikvitináciou sprostredkovaná proteazomálna degradácia modulujú akumuláciu obranného proteínu [80,81,126,133,140–144].

V prípade ryže môžu rozdiely v rezistencii voči chorobám závisieť od PTM vzoru, ako naznačuje zistenie, že počet a distribúcia fosforylačných motívov sa líši medzi rezistentnými a citlivými alelami Pi54 [145, 146]. Zistenia presluchu PTM v plodinách dokazujú, že signalizácia sprostredkovaná PRR v ryži závisí od špecifických vzorcov fosforylácie a kontroly sprostredkovanej ubikvitínom. Zvyšok XA21 Thr705 je nevyhnutný pre autofosforyláciu PRR XA21 ryže. Thr705 je tiež nevyhnutný pre interakciu medzi XA21 a ryžovým proteínom 3 viažucim XA21 (XB3), čo je ubikvitín ligáza, ktorá je potrebná pre úplnú XA21-sprostredkovanú rezistenciu [147,148]. Toto bolo demonštrované použitím fosfo-nulových mutantných variantov, XA21T705A a XA21T705E, ktoré nie sú schopné transdukovať XA21-sprostredkovanú imunitnú odpoveď alebo interagovať s XA21 viažucimi proteínmi [147]. Po vnímaní PAMP XA21 (ktorý rozpoznáva sulfonované peptidy odvodené od Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 špecificky trans-fosforyluje XB3, o ktorom sa ukázalo, že in vitro autoubikvitinuje, čo môže viesť k aktivácii MAPK kaskád [148,150] . Úloha XB3 môže byť medzi druhmi zachovaná pri regulácii bunkovej smrti [151].

Okrem fosforylácie a ubikvitinácie je v imunite plodín nevyhnutná jednoznačne špecifická regulácia SUMOylácie, pretože patogenitu efektorov patogénov deSUMOyláciou [140]. Nasledujúca časť podrobnejšie popíše, ako patogény prepadnú PTM systémy v ich prospech, tj vyhnúť sa obrane hostiteľa a získať živiny na podporu proliferácie patogénov.

For more information:1950477468nn@gmail.com