Понимание и использование посттрансляционных модификаций для устойчивости растений к болезням Часть 1

Абстрактный:

Растениям постоянно угрожают патогены, поэтому в процессе эволюции развились сложные защитные сигнальные сети для преодоления атак патогенов. Посттрансляционные модификации (ПТМ) имеют основополагающее значение для иммунитета растений, позволяя быстро и динамично реагировать в нужное время. Регулирование PTM имеет важное значение; Эффекторы патогенов часто разрушают ПТМ в попытке уклониться от иммунного ответа.

Здесь мы рассмотрим механизмы устойчивости к патогенам и то, как рост уравновешивается защитой, уделяя особое внимание важной роли ПТМ. Изменение ПТМ, связанных с защитой, может привести к точной настройке молекулярных взаимодействий для получения устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур без ущерба для роста и приспособленности.

Механизмы резистентности тесно связаны с иммунитетом. Механизмы резистентности включают систему защиты организма от бактерий, вирусов и других чужеродных веществ, в основном включающую барьеры кожи и слизистых оболочек, неспецифическую клеточную защиту, воспалительные реакции и специфическую иммунную защиту. Устойчивость тесно связана с иммунитетом. Нам также необходимо повышать иммунитет в нашей повседневной жизни. Мясной паштет содержит множество биологически активных ингредиентов, таких как полисахариды, грибы и желтые лилии. Эти ингредиенты могут стимулировать иммунную систему различных типов клеток, повышая их иммунную активность.

Нажмите Цистанхе пустынная добавка

Ключевые слова:

посттрансляционные модификации; иммунитет растений; фосфорилирование; вездесущность; СУМОилирование; защита.

1. Введение

Росту и выживанию растений постоянно угрожает биотический стресс, в том числе патогены растений, состоящие из вирусов, бактерий, грибков и хромистов. В контексте сельского хозяйства потери урожая из-за патогенов оцениваются примерно в 20 процентов во всем мире для основных культур [1]. Распространение вредителей и болезней в новые среды увеличивается: более экстремальные погодные явления, связанные с изменением климата, создают благоприятную среду для патогенов, переносимых с пищей и водой [2,3].

Значительные оценки потерь урожая от патогенов подчеркивают необходимость выращивания культур с признаками устойчивости к болезням против существующих и новых патогенов. Методы защиты растений имеют низкую эффективность против патогенов, включая фунгициды и инсектициды, контролирующие передачу вирусов насекомыми; кроме того, повышается устойчивость к этим химическим веществам [4,5]. Устойчивость относится к неспособности патогена завершить свой жизненный цикл на этом виде растений [6]; нацеливание на устойчивость хозяина для улучшения является наиболее экономичным и эффективным методом контроля снижения потерь урожая от болезней [7-9].

Разработка новых решений этой растущей проблемы требует более глубокого понимания механизмов защиты растений. Помимо экспрессии генов и транскриптомики, протеомика особенно полезна, поскольку она может напрямую измерять относительное содержание белка, а также обнаруживать посттрансляционные модификации (ПТМ) [10]. PTM могут активировать, деактивировать или изменять функцию белка, чтобы вызвать или ослабить специфические реакции растений. Анализ на уровне белка может выявить мишени патоген-хозяин, обмен белков и белок-белковые взаимодействия в передаче защитных сигналов для модификации и повышения иммунитета сельскохозяйственных культур [11]. В этом обзоре описываются функции ПТМ в иммунитете и возможности манипулирования ПТМ для повышения устойчивости к болезням.

2. Основа защиты растений

Из-за своей сидячей природы растения в значительной степени полагаются на химическую защиту от биотических и абиотических стрессов [11]. Растения постоянно подвергаются биотическим стрессам: заражение патогенами наносит вред росту, размножению и выживанию растений. У растений есть защитные системы для преодоления или уменьшения атак патогенов, которые включают физические барьеры для предотвращения проникновения патогенов и врожденную иммунную систему для реагирования на атаки патогенов [12].

Индуцируемая врожденная иммунная система растений состоит из иммунитета, запускаемого PAMP (PTI), и иммунитета, запускаемого эффектором (ETI), которые значительно перекрываются (рис. 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) используется в качестве преобладающей модельной системы для изучения молекулярных событий защитного сигнального пути, но в целом система консервативна у однодольных и двудольных [17]. Консервативные молекулярные структуры микробов, известные как патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP), распознаются рецепторами распознавания клеточной поверхности (PRR), вызывая последующие иммунные ответы [13,18,19]. Четко определенными взаимодействиями PAMP-PRR являются пептид бактериального флагеллина flg22 и родственный ему рецептор FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], термонестабильный бактериальный фактор элонгации (EFTu) и его рецептор EF-Tu рецептор (EFR) [22, 23], а также полисахарид хитин клеточной стенки грибов и его рецептор CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Эти PRR представляют собой рецептороподобные киназы, которые инициируют каскад фосфорилирования для активации связанных с защитой ферментов или генов [26] (рис. 1).

Некоторые эффекторы секретируются патогеном для нарушения клеточной функции во время инфекции. В отличие от PAMPs, эффекторы разнообразны и включают белки, sRNAs, химические вещества, токсины и гормоны, которые усиливают инфекцию патогена, принося пользу патогену или подавляя защиту хозяина. Внутриклеточные рецепторы, называемые нуклеотидсвязывающим доменом, белками, содержащими богатые лейцином повторы (NLR, также известные как NB-LRR), обнаруживают специфические эффекторы, доставляемые в растительную клетку для запуска иммунитета, запускаемого эффекторами (ETI). NLR сами по себе могут обнаруживать эффекторы или функционировать как помощники для запуска передачи сигнала [27]. Обнаружение с помощью NLR происходит либо напрямую (модель рецептор-лиганд), либо, в большинстве случаев, косвенно через механизмы «защиты» или «приманки» [28,29]. Двумя основными группами NLR являются Toll-интерлейкин -1 рецептор-подобный сайт связывания нуклеотидов, богатый лейцином повтор (TNL) и спирально-спиральный (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Кроме того, устойчивые к мучнистой росе 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) действуют как вспомогательные NLR [31,32]. Белки, расположенные после активации NLR, включают NON-RACE-SPECIFIC DESEASE RESISTANCE 1 (NDR1) и ENHANCED DESEASE SUSEPTIBILITY 1 (EDS1) [33] (рис. 1). Эти пути приводят к результатам, включая накопление салициловой кислоты и активацию защитных генов [34,35].

Молекулярные и физиологические изменения, индуцируемые после PRR и NLR, включают активацию митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK), выработку активных форм кислорода (АФК), закрытие устьиц, экспрессию защитных генов, гиперчувствительный ответ (HR) и гибель клеток, отложение каллозы и лигнификацию. , снижение фотосинтеза, усиление дыхания и экспрессии белков, СВЯЗАННЫХ С ПАТОГЕНЕЗОМ (PR), и производство противомикробных соединений [10,11,36–38]. Восприятие патогенов вызывает изменения уровня гормонов, включая салициловую кислоту (СК), которая опосредует защиту от биотрофов и полубиотрофов, и жасмоновую кислоту (ЖК)/этилен, которая опосредует защиту от некротрофов [39].

Понимание защитной реакции растений в модельном организме арабидопсиса или сельскохозяйственных культур не является полным. Многие исследования опирались на геномику или транскриптомику; однако транскрипционные изменения не отражают полных клеточных регуляторных процессов, поскольку не учитываются посттранскрипционные процессы, изменяющие количество активного белка, синтез, деградацию, процессинг и модификацию белков.

Таким образом, необходимы дополнительные подходы, такие как профилирование экспрессии на основе протеома, чтобы получить полную картину регуляторных элементов во взаимодействиях растений и патогенов [40]. Почти на каждом этапе защиты важны ПТМ, обеспечивающие быструю активацию и передачу сигналов; PTM действуют как молекулярные переключатели, быстро изменяющие функции белков [41,42]. В этом обзоре среди других подходов рассматриваются ПТМ в улучшении урожая. Модификация PTM может предложить более тонкий подход и спровоцировать меньшее снижение урожайности, чем нокаут гена или введение гена.

3. Посттрансляционные модификации играют решающую роль в защите

Посттрансляционные модификации имеют решающее значение для защитных реакций растений и участвуют почти во всех аспектах роста и развития растений. PTM позволяют расширить функцию белка за пределы его структуры, определяемой первичной аминокислотной последовательностью, чтобы контролировать почти все характеристики функции белка. Системы ПТМ являются мишенями для многочисленных эффекторов патогенов; таким образом, ПТМ стоит исследовать с точки зрения модификации и использования в сельскохозяйственных культурах. Эта работа будет сосредоточена на фосфорилировании, убиквитинировании и SUMOylation, наиболее хорошо изученных PTM, которые являются обратимыми (рис. 2). Другими кратко упоминаемыми являются N-миристоилирование, S-ацилирование, S-нитрозилирование, ацетилирование, гликозилирование, сульфонирование и окислительно-восстановительная модификация, которые также играют роль в иммунитете [42,43], но не рассматриваются в этом обзоре. Обратимость имеет решающее значение для регулирования интенсивности и продолжительности белковой активности и защитного ответа [44].

Рисунок 2. Пути посттрансляционной модификации. Фосфорилирование представляет собой процесс, катализируемый протеинкиназами, при котором фосфатная группа (PO4) переносится с АТФ на гидроксильные группы боковой цепи остатков серина, треонина или тирозина на белке-мишени. Фосфатазы гидролизуют фосфодиэфирную связь, удаляя фосфатную группу. Убиквитинирование включало последовательное действие убиквитин-активирующих ферментов (Е1), убиквитин-конъюгирующих ферментов (Е2) и убиквитин-белковых лигаз (Е3) для ковалентного присоединения убиквитина к целевому лизину.

Различные связи присоединения убиквитина и длины цепи имеют разные функции; например, K48-связанный тетраубиквитин нацелен на белок для 26S протеасомной деградации. Деубиквитинирующие ферменты (DUB) катализируют деубиквитинирование. SUMOилирование аналогично убиквитинированию и включает последовательное действие ферментов SUMO E1, E2 и E3 для ковалентного присоединения SUMO к целевому лизину. SUMO синтезируется в виде неактивного предшественника, С-концевой пептид которого расщепляется протеазой SUMO, обнажая мотив диглицина. Протеазы SUMO также катализируют удаление SUMO.

3.1. фосфорилирование

Фосфорилирование играет первостепенную роль в некоторых аспектах иммунитета, контролируя активность ферментов и в передаче сигналов. Фосфорилирование имеет решающее значение в нижестоящих ответах PRR через каскады фосфорилирования; фосфорилирование является быстрым и кратковременным переключением (рис. 2) и играет важную роль в передаче иммунного сигнала [42]. Восприятие лиганда в некоторых PRR стимулирует рекрутирование корецептора BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE (BAK1) (также известного как SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE 3 (SERK3)), который гетеродимеризуется с несколькими рецептороподобными киназами (RLK), включая FLS2. , BRASSINOSTEROID INSENSITIVE-1 (BRI1) и EFR [45]. BAK1 по-разному фосфорилируется в комплексе с разными комплексами PRR [46]. BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1 (BIK1) является субстратом BAK1, и эта пара присутствует во многих защитных сигнальных путях. Автофосфорилирование и трансфосфорилирование необходимы как для BIK1, так и для BAK1 при их взаимодействии и взаимодействии с другими нижестоящими компонентами при передаче сигнала [45]. Диссоциация BIK1 активирует нижестоящую передачу сигналов, такую ​​как активация каскадов MAPK, перепрограммирование транскрипции и продукция АФК [47,48]. BIK1 непосредственно фосфорилирует гомолог оксидазы респираторного взрыва D (RbohD), NADPH-оксидазу, которая продуцирует выброс АФК, вызывая закрытие устьиц и действуя как антимикробные молекулы [49,50].

BAK1 является ключевой киназой в иммунитете растений, которая сама обладает многочисленными сайтами фосфорилирования для регуляции специфических выходов, как показали исследования мутагенеза. Некоторые сайты фосфорилирования оказывают положительное влияние, а некоторые отрицательно влияют на функцию BAK1 [51,52]. Мутация T455A (треонин в аланин) устраняет активность киназы BAK1, а консервативный остаток BAK1 Y403 важен для индуцированной лигандом активации иммунного рецепторного комплекса [53]. Паттерны фосфорилирования специфичны для опосредования ответа, позволяя BAK1 регулировать защиту и передачу сигналов брассиностероидов.

Например, было высказано предположение, что специфические мутантные варианты BAK1 BAK1C408Y и BAK1T450A вызывают дифференциальные паттерны фосфорилирования на специфических рецепторах. Этот вывод был сделан, поскольку мутантные фенотипы BAK1C408Y и BAK1T450A демонстрируют нарушенную защитную передачу сигналов, но с BAK1-опосредованной передачей сигналов брассиностероидов (BR) дикого типа (WT) [53,54]. Эти фенотипы отличаются от нулевого аллеля BAK1; таким образом, явные мутации в определенных остатках могут изменить фенотип [46,55]. Интересно, что мутация в C408 снижает фосфорилирование Y403, что показано с использованием специфического антитела pY403, что подчеркивает, что остатки, окружающие сайт прикрепления PTM, могут влиять на статус PTM [56]. Этот подход к мутагенезу потенциально мутирующих остатков, окружающих PTM, может быть полезен для стабилизации/дестабилизации PTM без блокирования образования PTM, чтобы при некоторых обстоятельствах уменьшать или усиливать взаимодействия.

Ясно, что фосфорилирование играет центральную роль в защите при передаче сигнала [57]; активация МАРК MPK3, MPK4 и MPK6 (MPK3/4/6) является признаком активации иммунной системы и имеет решающее значение для установления устойчивости к болезням [58]. Все известные PRR активируют два каскада MAPK (рис. 1), состоящие из киназы MAPK (MKKK), киназы MAPK (MKK) и MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, которые позитивно регулируют защиты и MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, которые негативно регулируют иммунные ответы [58–62]. Фосфорилирование нижестоящих субстратов, таких как факторы транскрипции WRKY, вызывает транскрипционные изменения [63]. Например, WRKY33 является субстратом MPK3/6, который активирует транскрипцию PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3), кодирующего фермент цитохрома P450 (CYP71B15), который осуществляет последнюю стадию биосинтеза камалексина, вызывая индукцию камалексина, обладающего антимикробным действием [63]. ,64].

Кроме того, активация MPK3/6 имеет решающее значение для ингибирования фотосинтеза, что способствует накоплению АФК в хлоропластах и ​​гибели клеток HR [65]. Кроме того, MPK4 является мишенью бактериального эффектора Pseudomonas syringae типа III HopAI1 и действует как охранник NLR SUPPRESSOR OF MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Нарушение киназного каскада MEKK1-MKK1/2-MPK4 приводит к конститутивным иммунным ответам, опосредованным белком NLR SUMM2 [67].

Обратимость имеет первостепенное значение для контроля состояния фосфорилирования, чтобы регулировать передачу сигнала, конститутивная активация защиты приводит к дефектам роста [68]. Фосфорилирование комплексов PRR, включая FLS2-BAK1-BIK1, отрицательно регулируется ПРОТЕИНФОСФАТАЗОЙ ТИПА 2A (PP2A) и ПРОТЕИНФОСФАТАЗОЙ ТИПА 2C (PP2C) [42,69,70].

Сходным образом, CERK1-INTERACTING PROTEIN PHOSPHATASE 1 (CIPP1) дефосфорилирует CERK1 в отсутствие хитина, чтобы негативно регулировать передачу сигналов CERK1 [71]. Фосфатазы ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) взаимодействуют с MPK3, 4 и 6, негативно регулируя врожденный иммунитет против некротрофного грибкового патогена Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) и PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) действуют как репрессоры несоответствующей MPK3/MPK6-зависимой передачи стрессовых сигналов [74,75]. Кроме того, фосфорилирование может привести к дефосфорилированию по обратной связи; например, MKP1 фосфорилируется MPK6, одним из субстратов MKP1 [76].

3.2. вездесущность

Убиквитин (Ub) ковалентно связывается со специфическими остатками лизина белков-мишеней посредством ферментативного каскада, который является обратимым (рис. 2) [77]. Большинство убиквитилированных белков, особенно те, которые модифицированы lysine48(K48)-связанными полиубиквитиновыми цепями, являются мишенями для деградации протеасомой 26S [78,79]. Тем не менее, убиквитинирование выполняет несколько функций, включая передачу сигналов, эндоцитарную транспортировку и т.д., в зависимости от специфической связи прикрепления [80,81]. Убиквитиновая система необходима для врожденного иммунитета и его регуляции [82,83].

Например, экспрессия варианта убиквитина с заменой K48R (лизин на аргинин) предотвращает прикрепление K48 (рис. 2) и изменяет реакцию табака на вирусы [82]. K48 является одним из наиболее распространенных соединений убиквитина, которые вызывают убиквитин-опосредованную протеасомную деградацию, хотя могут быть задействованы и другие связи [77,84]. Различные ферменты убиквитинового аппарата влияют на иммунитет. У Arabidopsis есть два Ub E1, UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) и UBA2, которые частично повторяются. Нулевой мутант UBA1, mos1, дефектен по врожденному иммунитету, тогда как растения с нулевым мутантом uba2 не имеют дефектов иммунитета. Было показано, что для активации и последующей передачи сигналов нескольких резистентных (R) белков требуется Ub E1 UBA1 [83].

Многие убиквитинлигазы Е3 участвуют в иммунитете растений, осуществляя убиквитинирование субстратов-мишеней [85]. Убиквитинирование необходимо для регулирования уровней компонентов иммунной системы растений посредством обмена белка, чтобы избежать чрезмерных или неадекватных реакций. Это иллюстрируется мутантом растения u-box 13 (pub13), который имеет усиленный иммунный ответ на атаку патогена или восприятие flg22.

Однако мутант pub13 демонстрирует аутоиммунные ответы, а именно, вызывает спонтанную гибель клеток и накопление АФК в отсутствие стресса, что показывает важность регуляции ПТМ [86]. Кроме того, было показано, что FLS2 специфически полиубиквитинируется убиквитин E3 лигазами PUB12/13, которые нацелены на деградацию FLS2. Интересно, что фосфорилирование с помощью BAK1 активирует PUB12/13 после того, как FLS2 связывает флагеллин, демонстрируя ослабление обратной связи ответов FLS2 и зависимость от множественных PTM в регуляции защиты [86]. Активность киназы BAK1 важна для обеспечения ее взаимодействия с PUB13, поскольку мутант, неактивный в отношении киназы BAK1, который имеет замену K317M, больше не может взаимодействовать с PUB13 [87]. PUB13 также убиквитинирует LYSM-СОДЕРЖАЩУЮ РЕЦЕПТОР-ПОДОБНУЮ КИНАЗА 5 (LYK5), направляя ее для деградации, чтобы регулировать защиту, запускаемую хитином (рис. 1) [88]. Ub E3 лигаза PUB25/26 нацелена на неактивированную иммунную киназу BIK1 для деградации, чтобы модулировать уровни BIK1 (рис. 1) [89]. PUB4 взаимодействует с CERK1 и является положительным регулятором хитин-индуцированных иммунных ответов [90].

Избыточное накопление NLR часто приводит к аутоиммунным реакциям. Чтобы предотвратить это, белки NLR SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) и RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) подвергаются убиквитинированию и деградации с помощью SKP1- CULLIN{{6}. } Комплекс F-box (SCF) (Cheng et al., 2011). Напротив, лигазы Ub E3 арабидопсиса RPM1 ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ БЕЛКИ 2 и 3 (RIN2 и RIN3) вносят положительный вклад в устойчивость NLR к P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1)- и RPS2-зависимая ЧСС (Kawasaki et al., 2005).

Убиквитинирование необходимо для активации ответов JA против некротрофов. Белки JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) функционируют как репрессоры транскрипции JA-чувствительных генов [91]. Биоактивный JA (конъюгат жасмонат-изолейцин (JA-Ile)) способствует физическому взаимодействию между комплексом убиквитин-лигазы SCFCOI1 и белками JAZ, вызывая убиквитин-опосредованную протеасомную деградацию JAZ, что позволяет экспрессировать JA-зависимые гены [91-93].

Хотя убиквитиновые E3 в значительной степени определяют субстратную специфичность [94–97], деубиквитинирующие ферменты (DUB) также обладают субстратной специфичностью [80,98]. Это важно для иммунитета; например, было обнаружено, что деубиквитинирующие ферменты Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 и 13 (AtUBP12 и AtUBP13) негативно регулируют иммунитет растений [99]. Однако UBP12 и UBP13 являются положительными регуляторами ответа JA и могут действовать, стабилизируя MYC, что приводит к подавлению SA-опосредованного иммунитета путем JA [100].

3.3. СУМОилирование

Помимо убиквитина, убиквитин-подобные полипептиды ковалентно конъюгированы с субстратами у эукариот через лизин субстрата (рис. 2). Небольшой убиквитин-подобный модификатор (SUMO) является еще одним важным PTM, участвующим в реакциях растений на биотический стресс. Глобальные изменения SUMOylome происходят при атаках патогенов [101–104]. Например, аутоиммунный супрессор мутантов rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​показал значительное увеличение базальных конъюгатов SUMO1/2-, как и растения дикого типа. заражение Pseudomonas syringae pv. томат (Pst)DC3000 по сравнению с необработанными растениями дикого типа.

В целом было обнаружено, что мутант srfr1-4 и инфицированные PstDC3000 растения WT имеют 57,9% общих субстратов SUMO, которые состоят из разнообразных мишеней. Аутоиммунные растения srfr1-4 имеют повышенные уровни SA и конститутивную активацию генов PR1/PR2; также наблюдается задержка роста [105]. Примечательно, что потеря EDS1 восстанавливает SUMOylome в srfr1-4 до уровней дикого типа (Col-0) и устраняет задержку роста и аутоиммунитет [106]. Следовательно, SUMOylation и deSUMOylation имеют решающее значение для регуляции защиты.

Разные паралоги SUMO выполняют разные функции, и разные паралоги существуют у разных видов [107]. У арабидопсиса SUMO1/2 ингибирует SA-опосредованные защитные реакции в отсутствие патогена [108]. Напротив, SUMO3 способствует защитным реакциям растений после SA [109]. SUMO также формирует нековалентные взаимодействия с белками посредством SUMO-взаимодействующих мотивов (SIM), которые облегчают взаимодействие между SUMO-конъюгированными белками и белками-партнерами, имеющими сайт(ы) SIM для образования белковых комплексов [107,110].

Изменение специфического паттерна PTM изменяет защитные реакции растения и его способность противостоять болезням. Например, СВЕРХТОЛЕРАНТНЫЙ К SALT1 и двойной мутант протеазы -2 (OTS1/2) SUMO ots1ots2 накапливает повышенные уровни конъюгатов SUMO, более высокие уровни SA и повышенную устойчивость к PstDC3000 по сравнению с растениями дикого типа. Было обнаружено, что протеазы SUMO OTS1 и OTS2 ограничивают биосинтез SA, подавляя экспрессию ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1), и в качестве механизма обратной связи SA способствует деградации OTS1 и OTS2 для модуляции передачи сигналов SA [101]. Сходным образом мутанты протеазы SUMO в начале коротких дней 4 (esd4) имеют высокое накопление SA [111]. Они показывают, что ферментативный аппарат SUMO регулирует SA-опосредованную защиту, чтобы соответствующим образом регулировать ответ [101,109].

Другой аспект механизма SUMO, влияющий на защиту, представлен мутантом с потерей функции sap и miz 1 (siz1) SUMO E3 ligase Arabidopsis. siz1 имеют сниженные SUMO-конъюгаты, карликовость, аутоиммунный фенотип, характеризующийся повышенным накоплением SA, повышенной экспрессией генов EDS1, PAD4 и PATHOGENESIS-RELATED(PR) и большей устойчивостью к бактериям PstDC3000 по сравнению с растениями дикого типа [112]. ]. Аутоиммунный фенотип siz1 зависит от иммунного рецептора TNL SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), белок, взаимодействующий с SNC1-, физически взаимодействует с SIZ1 и подвергается SUMOилированию с помощью SIZ1 [115]. Мутация K282 и K721, критических сайтов прикрепления SUMOylation TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), предполагает, что SUMOylation TPR1 подавляет иммунитет посредством подавления его корепрессорной транскрипционной активности.

Это приводит к экспрессии негативных регуляторов иммунитета DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) и DND2. Кроме того, SNC1 SUMOилирован, что, возможно, дополнительно подавляет иммунитет в отсутствие патогенов [113, 115]. Транскрипция SNC1 контролируется SUMOилированием, а SNC1 SUMOилируется на уровне белка [113], а уровень белка SNC1 контролируется убиквитин-опосредованной деградацией, как упоминалось в предыдущем разделе [116]. Важно контролировать активность SNC1, чтобы избежать чрезмерных иммунных ответов, которые могут нанести ущерб росту растений и нанести ущерб [117].

Нарушение ферментативного механизма ПТМ подчеркивает тот факт, что изменения в прикреплении/удалении ПТМ оказывают сильное влияние на физиологию растений, включая регуляцию защиты.

Интересно, что повышенное SUMOylation у мутантов ots1ots2 или уменьшенное SUMOylation у мутантов siz1 имеют повышенные уровни SA, что указывает на сложность регуляции PTM, и что регуляция SUMOylation является ключом к модуляции правильного уровня иммунитета. Этот жесткий контроль над SUMO дополнительно подчеркивается тем, что сверхэкспрессия трех генов SUMO (SUM) Arabidopsis приводила к активации SA-зависимых защитных реакций, как и мутантный нокдаун sum1sum2 [109].

Помимо передачи сигналов SA, SUMO играет роль в модуляции передачи сигналов JA. SUMO, конъюгированный с JAZ, ингибирует JA-рецептор CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) через SIM-сайт COI1 [118]. Действие или деградация протеазы SUMO OTS1/2 определяет, активируется или ингибируется JA-ответ, в зависимости от типа патогена [118]. Примечательно, что SUMOylation взаимодействует с другими PTM, включая фосфорилирование и убиквитинирование, которые будут описаны в следующем разделе.

3.4. Взаимодействие между PTM

Большинство аспектов иммунитета регулируются несколькими ПТМ, которые часто взаимодействуют. PTM подвергаются перекрестным помехам и имеют взаимную зависимость. Одним из ярких примеров является передача сигналов FLS2, регуляция которой требует фосфорилирования, SUMOylation и убиквитинирования [48,86,119]. В неинфицированных условиях FLS2 ассоциируется с BIK1 [21, 120]. При обнаружении flg22 FLS2 рекрутирует корецепторную протеинкиназу BAK1, которая позволяет BIK1 и BAK1 подвергаться реципрокному фосфорилированию [55, 121, 122].

Кроме того, при восприятии флагеллина FLS2 SUMOилируется по лизину 1120, вызывая высвобождение BIK1, что необходимо для FLS{3}}опосредованного защитного ответа. ДеСУМОилирующая изопептидаза 3А (Desi3A) деСУМОилирует FLS2, чтобы отрицательно регулировать иммунную передачу сигналов в отсутствие флагеллина. Тем не менее, при обнаружении флагеллина Desi3A деградирует, повышая уровни SUMOylated FLS2 и усиливая иммунную передачу сигналов (рис. 1) [48]. Кроме того, было обнаружено, что моноубиквитинирование BIK1 способствует лиганд-индуцированной диссоциации BIK1 от рецептора FLS2 [123]. Как упоминалось ранее, PUB12/13 запускает деградацию FLS2 через убиквитин-протеасомную систему.

Посттрансляционная модификация ферментов механизма PTM также происходит в целях защиты; например, CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 28 (CPK28) фосфорилазает и активирует лигазы Ub E3 PUB25 и 26 для усиления убиквитинирования и протеасомной деградации неактивированного BIK1 (рис. 1) [89, 124]. Взаимодействия между лигазами Ub E3 и киназными доменами, по-видимому, распространены в регуляции RLK [125].

ОТСУТСТВИЕ ЭКСПРЕСС-ИЛИ ПАТОГЕНЕЗ-СВЯЗАННЫХ ГЕНОВ (NPR1) является ключевым транскрипционным фактором защиты, поскольку он регулирует экспрессию PR-генов, способствующих формированию системной приобретенной устойчивости (SAR) [126]. Опять же, фосфорилирование, SUMOилирование и убиквитинирование необходимы для их функции для соответствующих защитных реакций (рис. 1). SUMOylation взаимодействует с фосфорилированием, чтобы контролировать функции NPR1: фосфорилирование Ser55 и Ser59 предотвращает присоединение NPR1 SUMO. Статус SUMOylation NPR1 изменяет его взаимодействие с партнерами. Несумоилированный NPR1 взаимодействует с WRKY70, подавляя экспрессию PR1. При заражении патогенами накопление SA способствует дефосфорилированию Ser55/Ser59, позволяя NPR1 становиться SUMOилированным, провоцируя NPR1 взаимодействовать с TGA3, чтобы способствовать экспрессии гена PR1 [127,128].

Кроме того, взаимодействие NPR1 с SUMO3 необходимо для фосфорилирования Ser11/Ser15, что вызывает убиквитинирование и деградацию комплекса NPR3-CULLIN3 E3 для индукции специфического и транзиторного иммунитета [129]. Деградация NPR1 важна для полного спектра активации защитных генов, а также для активации ETI и запрограммированной клеточной гибели в месте инфекции, где уровни SA высоки [126], тогда как в соседних клетках уровни SA являются промежуточными, что позволяет функционировать NPR1 [130]. . SA-индуцированные PR-гены кодируют несколько антимикробных метаболитов, включая эндоглюканазы, хитиназы, дефензины и др. [131]. Этот приведенный пример показывает, что сайты фосфорилирования имеют противоположные функции и что специфические паттерны PTM дают результаты с точки зрения защитного ответа. Последовательный процесс множественных ПТМ обеспечивает более точный контроль, позволяющий убиквитин-опосредованную деградацию в нужное время, когда патогены не обнаружены [132]. NPR1 играет функционально консервативную роль в сельскохозяйственных культурах; таким образом, потенциально SUMO участвует в регуляции ортологов, сходных с Arabidopsis, но это требует изучения [126,133].

Между SUMOylation и убиквитинированием существуют значительные перекрестные помехи, особенно как часть отрицательной обратной связи, вызывающей деградацию белка; например, SIZ1 может SUMOylate CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), который усиливает транс-убиквитинирующую активность COP1, многосубъединичной лигазы E3, которая положительно регулирует устойчивость к вирусам [134, 135]. После SUMOилирования COP1 убиквитинирует SIZ1, вызывая его деградацию; следовательно, убиквитинирование регулирует клеточное SUMOylation, регулируя SIZ1, а также SIZ1, способствующий убиквитинирующей активности COP1 [136].

Некоторые мишени SUMO перекрываются с мишенями фосфорилирования MAPK в регуляции иммунитета [137]. Несколько WRKY были идентифицированы как мишени SUMO1 с помощью протеомики, а также фосфорилирования MAPK [104]. В подтверждение этого было показано, что в ответ на инфекцию Botrytis cinerea и обработку элиситором flg22 WRKY33 подвергается SUMOилированию, что позволяет фосфорилировать WRKY33 с помощью MPK3/6 для активации активности фактора транскрипции, что приводит к увеличению биосинтеза камалексина (рис. 1) [138].

Ясно, что ПТМ жизненно важны для защитных реакций растений и устойчивости к болезням у арабидопсиса, и после этого открытия показано, что ПТМ столь же важны для видов сельскохозяйственных культур и представляют собой отличный ресурс, который можно использовать для улучшения сельскохозяйственных культур. Общие механизмы иммунитета сходны у арабидопсиса и сельскохозяйственных культур по классам белков; однако точные механизмы, взаимодействия, белковые комплексы и ПТМ специфичны для вида и разновидности [17]. Одно исследование показало, что 1619 фосфозитов арабидопсиса точно совпадают с фосфозитами любых других видов растений, что указывает на некоторое сходство в фосфорилировании белков у арабидопсиса и сельскохозяйственных культур [139]. В некоторых случаях ортологи защитных белков играют консервативную роль среди разных видов растений; например, PRR, каскады MAPK, WRKY TF, NPR1, убиквитинлигазы и опосредованная убиквитинированием протеасомная деградация модулируют накопление защитных белков [80,81,126,133,140–144].

У риса различия в устойчивости к болезням могут зависеть от паттерна PTM, как было предложено в результате обнаружения того, что количество и распределение мотивов фосфорилирования различаются между устойчивыми и восприимчивыми аллелями Pi54 [145,146]. Обнаружение перекрестных помех PTM в сельскохозяйственных культурах доказывает, что передача сигналов, опосредованная PRR, у риса зависит от специфических паттернов фосфорилирования и контроля, опосредованного убиквитином. Остаток XA21 Thr705 необходим для автофосфорилирования PRR XA21 риса. Thr705 также необходим для взаимодействия между XA21 и рисовым XA21, связывающим белок 3 (XB3) — убиквитинлигазу, которая необходима для полной устойчивости, опосредованной XA{13}} [147, 148]. Это было продемонстрировано при использовании фосфо-нулевых мутантных вариантов, XA21T705A и XA21T705E, которые оба не способны трансдуцировать XA21-опосредованный иммунный ответ или взаимодействовать с XA21-связывающими белками [147]. После восприятия PAMP с помощью XA21 (который распознает сульфированные пептиды, полученные из Xanthomonas oryzae pvoryzae [149]), XA21 специфически трансфосфорилирует XB3, который, как было показано, аутоубиквитинирует in vitro, что может привести к активации каскадов MAPK [148, 150]. . Роль XB3 может сохраняться у разных видов в регуляции гибели клеток [151].

В дополнение к фосфорилированию и убиквитинированию, четко специфическая регуляция SUMOylation необходима для иммунитета растений, поскольку патогенность эффекторов патогенности определяется деSUMOylation [140]. В следующем разделе будет более подробно описано, как патогены захватывают системы ПТМ в своих интересах, т. е. для того, чтобы обойти защиту хозяина и получить питательные вещества, способствующие пролиферации патогенов.

For more information:1950477468nn@gmail.com