在漫长的进化历程中，植物为了抵御病原菌的侵袭，进化出了一套精密而复杂的免疫防御体系。定位于细胞膜表面的植物模式识别受体（PRRs）作为监控病原菌侵害的“前哨”，通过识别病原菌的病原相关分子模式（MAMPs/PAMPs），激活对多种病原菌的广谱抗性（PTI）。PRR主要是由受体激酶（RKs）和受体蛋白（RLPs）组成。其中重要的一类PRR胞外配体识别结构域由富含亮氨酸重复基序（LRR）构成，因此被称为LRR型PRR，其可进一步分为LRR-RKs和LRR-RLPs。尽管目前我们对受体激酶（LRR-RKs）的配体识别及活化的分子机制有了较为深刻的理解，但是对于参与植物抗病的另一大类LRR-RLPs的配体识别及活化分子机制一直不清楚。2022年9月21日，《Nature》刊登了一篇题为“Plant receptor-like protein activation by a microbial glycoside hydrolase”的研究文章。这项研究首次发现了细胞膜受体蛋白RXEG1不仅能够激活免疫反应，还能直接抑制病原菌致病因子XEG1的酶活性，展现了其双重免疫功能。![]()
1.XEG1与RXEG1(LRR)相互作用的结构基础和分子机制
通过凝胶过滤分析验证了从昆虫细胞中单独纯化的XEG1和RXEG1(LRR)之间存在直接的相互作用。这种相互作用还通过在昆虫细胞中共表达XEG1和RXEG1(LRR)得到了进一步的确认。研究人员解析了XEG1和RXEG1(LRR)复合物的晶体结构，直观解释了XEG1如何被RXEG1识别。XEG1的核心结构由两层弯曲的β-折叠组成，与内切1,4-β-D-葡聚糖酶FI-CMCase的结构非常相似。在XEG1的内层β-折叠中形成了一条延伸的沟槽，这对应于FI-CMCase的活性位点。RXEG1(LRR)包含两个环外区域，即RXEG1(N-loopout)和RXEG1(ID)。XEG1沿着RXEG1(LRR)的内表面排列，导致XEG1被RXEG1(LRR)包裹。XEG1和RXEG1(LRR)之间的相互作用主要由RXEG1(N-loopout)和RXEG1(ID)介导，这两个区域可以比作插入到XEG1活性位点沟槽中的两个卡扣。XEG1的活性位点底部的负电荷通过RXEG1(ID)中的RXEG1(K791)形成盐键而部分中和，以及RXEG1(K791)的烷基部分与XEG1(W41)紧密堆积，RXEG1(Y792)与XEG1(E136)和XEG1(N174)形成的氢键，以及RXEG1(Q786)与XEG1的W26、W28和Y37相互作用。通过在烟草中的共免疫沉淀实验验证了XEG1与RXEG1的相互作用，并进一步通过XEG1在烟草中诱导的过敏反应细胞死亡确认了XEG1-RXEG1相互作用在XEG1诱导的细胞死亡中的重要作用。RXEG1(N-loopout)与XEG1的相互作用主要通过范德华力和疏水接触介导，并通过氢键相互作用进一步加强界面。通过在XEG1-RXEG1(LRR)界面的关键残基进行突变，XEG1(W26A/E136A)突变显著降低了XEG1-RXEG1的相互作用。进一步通过在烟草中验证XEG1和RXEG1的突变对XEG1诱导的细胞死亡的影响，证实了生化数据。2.XEG1诱导的RXEG1与BAK1相互作用及其异三聚体复合物的结构解析
XEG1的结合促进了RXEG1与BAK1在体内的相互作用。通过凝胶过滤分析发现，XEG1-RXEG1(LRR)复合物与BAK1(LRR)共同迁移，形成了约150 kDa的复合物，而单独的RXEG1(LRR)则没有这种迁移，表明三种蛋白形成了由XEG1诱导的异三聚体复合物。为了揭示这个三元复合物的结构基础，研究人员解析了XEG1-RXEG1(LRR)-BAK1(LRR)的冷冻电镜结构。局部的三维分类表明XEG1-RXEG1(LRR)-BAK1(LRR)复合物可能发生解离。因此，分别重建了XEG1-RXEG1(LRR)复合物和BAK1(LRR)的冷冻电镜图谱。XEG1-RXEG1(LRR)-BAK1(LRR)的冷冻电镜结构显示，BAK1(LRR)与RXEG1(LRR)的最后四个LRRs和RXEG1(ID)相接触。尽管XEG1对于RXEG1(LRR)与BAK1(LRR)的相互作用是必需的，但在复合物内部，XEG1位于远离两个界面的位置，这表明XEG1诱导的RXEG1(LRR)与BAK1(LRR)的相互作用可能涉及一种变构机制。3.XEG1-RXEG1 (LRR) -BAK1 (LRR)复合物的突变
BAK1(LRR)与RXEG1(LRR)之间的两个相互作用界面。第一个界面由BAK1(LRR)的N端帽区域与RXEG1(ID)和RXEG1(LRR)内表面之间的沟槽结合构成，中心是BAK1(F63)，周围是RXEG1的残基。第二个界面由RXEG1的最后两个LRR与BAK1的前两个LRR的内表面接触形成。在这些界面上，氢键和范德华力进一步促进了BAK1和RXEG1之间的相互作用。特别是BAK1(R75)与RXEG1(G893)、RXEG1(Q911)和RXEG1(T914)形成氢键，而BAK1(Y103)与RXEG1(T910)形成氢键，并与RXEG1(Q911)形成范德华力接触。通过共免疫沉淀实验，证实了在XEG1侵染的烟草中，BAK1与RXEG1的相互作用。而在BAK1(R75A)突变体中不互作，而在RXEG1的第一个界面中的W806A、K807A和E869A突变导致与BAK1的互作丧失。BAK1(T66R)突变体在界面的边缘对BAK1-RXEG1相互作用没有明显影响。RXEG1(ID)的C端部分在XEG1-RXEG1(LRR)中定义不明确，但在与BAK1(LRR)结合时变得有结构，表明这一区域的稳定性对于RXEG1与BAK1的相互作用很重要。BAK1T66R突变体保留了与BAK1相似的RXEG1相互作用活性，并在bak1突变体烟草中XEG1诱导细胞死亡。4. RXEG1通过竞争性抑制XEG1活性来抑制Phytophthora致病性
RXEG1通过与XEG1的活性位点结合，可能抑制XEG1的木葡聚糖酶活性。RXEG1的两个与XEG1相互作用的环完全覆盖了FI-CMCase结合底物的位置。生化活性实验表明，RXEG1(LRR)能够竞争性地抑制XEG1的内切葡聚糖酶活性。RXEG1(LRR)的突变体LRRΔ90–95失去了与XEG1结合的能力，从而几乎完全丧失了对XEG1酶活性的抑制作用。由于XEG1的木葡聚糖酶活性对Phytophthora的致病性至关重要，RXEG1可能抑制XEG1及其同源物的致病活性。通过在转基因烟草中表达缺失C端尾部的RXEG1“RXEG1(ΔCT)”，这种失活的改变可以阻止P. parasitica对烟草的感染。表达RXEG1synΔCT的转基因rxeg1烟草表现出对P. parasitica感染的显著抗性。这些结果支持RXEG1(ΔCT)对P. parasitica的剂量依赖性抑制，这与RXEG1(LRR)对XEG1酶活性的竞争性抑制一致。在烟草中破坏XEG1-RXEG1相互作用的突变消除了RXEG1synΔCT对P. parasitica的抑制作用。相比之下，不携带XEG1的Pseudomonas syringae pv. tomato ΔHopQ1突变株在这些转基因植物中的生长并未受到抑制。5.XEG1诱导的RXEG1(LRR)激活机制
为了研究XEG1如何激活RXEG1，研究人员解析了从昆虫细胞中纯化的RXEG1(LRR)的冷冻电镜结构。通过将游离状态的RXEG1(LRR)（apo-RXEG1(LRR)）与结合了XEG1和XEG1–BAK1(LRR)的激活状态RXEG1(LRR)进行结构比对，发现除了RXEG1(N-loopout)、RXEG1(ID)和最后四个LRRs之外，RXEG1(LRR)在三种结构中几乎保持了相同的构象。在二元和三元复合物中，RXEG1(N-loopout)的β-发夹结构的四个残基定义清晰，而在游离状态的RXEG1(LRR)中定义不清晰，表明XEG1的结合诱导了它们的稳定化。RXEG1(ID)在结合XEG1后发生了显著的构象变化，其中N端的反平行β-片层向外旋转约25º，而其余部分在结合XEG1后定义变得模糊。在三元复合物中，RXEG1(ID)的C端α-螺旋发生了显著的结构重塑，转变为反平行β-片层。最后四个LRRs在XEG1–RXEG1(LRR)二元复合物中是无序的，但在BAK1(LRR)结合后变得有序。
基于上述观察，研究人员提出了一个基于XEG1诱导的RXEG1激活的模型。在静息细胞中，RXEG1和SOBIR1通过围绕它们的跨膜段的电荷-电荷相互作用形成一个组成型复合物。在Phytophthora感染期间，XEG1或其同源物结合到RXEG1的外显域，这诱导了RXEG1(ID)和RXEG1的最后四个LRRs的结构灵活性。这使得这些结构能够与BAK1相互作用，这可能导致SOBIR1和BAK1的跨磷酸化和信号传导。综上所述，该研究阐明了细胞膜受体蛋白RXEG1识别病原菌核心致病因子XEG1激活植物免疫的作用机制，首次揭示了细胞膜受体蛋白具有激活免疫活性和直接抑制致病因子XEG1酶活的双重免疫功能，对认识、合理利用和精准改造植物免疫受体，提高作物广谱抗性具有重要的指导意义。来源：作物抗病机制
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