卵菌綱致病效應(yīng)子

1、植物病原卵菌綱的 RXLR 效應(yīng)子 卵菌綱生物是一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育不同的組，其中包括一些最具破壞性的植物病原物。 最近的 4 個(gè)卵菌無(wú)毒基因的特性發(fā)現(xiàn)具有普通的模塊化結(jié)構(gòu)編碼效應(yīng)子蛋白，包 括一個(gè)N-末端的保守RXLR基序列。在較近期的科研支持下，一些證據(jù)表明這些 AVR 蛋白質(zhì)是由病原體分泌的，然后在侵染過(guò)程中易位到宿主細(xì)胞。除了闡明宿 主細(xì)胞機(jī)械運(yùn)輸所需的，今后的工作仍然確定無(wú)數(shù)的卵菌 RXLR 的效應(yīng)子蛋白的 毒力功能。引言 植物原核和真核病原體在寄主不同的細(xì)胞區(qū)室分泌效應(yīng)子蛋白，以調(diào)節(jié)植物的防 御機(jī)制，使它們能夠寄生并繁殖1-4。例如植物與微生物相互作用的研究是解 開效應(yīng)子分子功能的一種致病

2、性機(jī)制的核心認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，在闡明細(xì)菌效應(yīng)子的 毒力功能已取得重要的進(jìn)展2，和與真核植物病原體研究進(jìn)展迅速，以及最近 確定的亞麻銹病和大麥的白粉病菌效應(yīng)子5-7，卵菌疫和Hyaloperonospora8， 9， 10， 11，以及根結(jié)的線蟲12,13。 卵菌綱形成了一個(gè)獨(dú)特的真核微生物群，其中包括一些最臭名昭著的植物病原體 14。卵菌效應(yīng)子一些方面的研究在近幾年加速，原因是豐富的基因組資源。卵 菌綱，現(xiàn)在分泌的上百種效應(yīng)子蛋白針對(duì)寄主植物兩個(gè)不同的位點(diǎn)1,3,15。質(zhì) 外體效應(yīng)子被分泌到植物細(xì)胞外的空間，而細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)子易位到植物細(xì)胞，在那 里它們針對(duì)不同亞細(xì)胞1,3。一些質(zhì)外體效應(yīng)子通過(guò)抑制宿

3、主酶進(jìn)行反防御， 如蛋白酶和葡聚糖酶，即病原體侵染的積累效應(yīng)16 18。與此相反，細(xì)胞質(zhì)效 應(yīng)子的生化活動(dòng)仍知之甚少。卵菌細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)子已發(fā)現(xiàn)通過(guò)他們的無(wú)毒（AVR） 功能被發(fā)現(xiàn)，那就是，他們有能力引發(fā)宿主細(xì)胞過(guò)敏性壞死與相應(yīng)的疾病的細(xì)胞 抗?。≧）的基因8,9,10, 11，但它們?nèi)狈ν吹目共』虻闹参锶允俏粗?。 本文總結(jié)了近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn) RXLR 類卵菌細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)子的結(jié)構(gòu)和功能1,3。這 些效應(yīng)子在宿主細(xì)胞內(nèi)的功能由一個(gè)高度保守的區(qū)域，并且其特征在于定義的不 變性序列RXLR。這個(gè)評(píng)論將覆蓋RXLR效應(yīng)子研究?jī)纱笾黝}：運(yùn)輸和毒力功能。 RXLR 序列定義為卵菌無(wú)毒蛋白的一個(gè)保守結(jié)構(gòu)域在

4、過(guò)去的三年已經(jīng)描述了 4個(gè)卵菌致毒基因：ATRlNdW和來(lái)自霜霉病的ATR13 8,10，大豆疫霉菌Avrlb-1 11和馬鈴薯晚疫病菌Avr3 8，9，10，11。所 有四個(gè)毒蛋白的N-末端60個(gè)氨基內(nèi)包含分泌肽的信號(hào)和一個(gè)保守RXLR結(jié)構(gòu)域, 兩側(cè)是咼頻率的酸性的（D / E）殘基（圖1）。signal peptidetargeTtngsignal peptidetargeTtng（一） 細(xì)胞質(zhì) RXLR 的效應(yīng)子的域名組織Hyaloperonsopora 疫病 ATRINdWsB 和 ATR13，大豆疫霉菌 Avrlb-1,和馬 鈴薯晚疫病菌AVR3a的原理圖。根據(jù)序列的數(shù)字表明氨基酸的

5、位置。突出 顯示RXLR域包括RXLR的序列本身和下游dEER序列?；疑^區(qū)分涉及 效應(yīng)子活性的分泌和目標(biāo)效應(yīng)子蛋白質(zhì)的區(qū)域。（二）卵菌綱RXLR形狀 和惡性瘧原蟲的 HT / PEXEL 的形狀之間的存在相似。來(lái)自馬鈴薯晚疫病 菌和惡性瘧原蟲的效應(yīng)子蛋白序列標(biāo)志24。卵菌綱RXLR蛋白與宿主細(xì)胞蛋白的相互作用有趣的是，這四個(gè)毒目標(biāo)的R蛋白屬于細(xì)胞內(nèi)的NBS-LRR類（核苷酸結(jié)合位點(diǎn)和 富含亮氨酸重復(fù)域）蛋白19 21。這些R蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的位置顯示，這些無(wú) 毒的蛋白質(zhì)在植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)被檢測(cè)到8,9, 1 0 。與此相一致想法， AVR3aKI，ATR1NdWs，B ATR13 直接表現(xiàn)在植物

6、上不需要信號(hào)肽序列觸發(fā)超敏反應(yīng)8,9,10。疫霉菌 RXLR 結(jié)構(gòu)域在瘧原蟲內(nèi)介導(dǎo)宿主靶標(biāo) 卵菌 RXLR 序列和宿主蛋白質(zhì)從瘧疾寄生蟲（瘧原蟲）移位到宿主的紅血細(xì)胞所 需的定位信號(hào)（HT/ PEXEL基序）22,23的位置是相似的。這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自疫霉 屬和瘧原蟲宿主目標(biāo)蛋白要求有檢查保存功能共享位置性保守序列。巴塔查爾吉 等，24證明該 RXLR 前導(dǎo)序列的馬鈴薯晚疫病菌 Avr3a 和另一名候選人的效應(yīng) 子足以從該惡性瘧原蟲寄生蟲介導(dǎo)的宿主紅血細(xì)胞（紅細(xì)胞）（圖 2）中調(diào)控導(dǎo) 出的綠色熒光蛋白（GFP）。突變?cè)赗XLR共識(shí)取消了導(dǎo)出。與觀察到的側(cè)翼施力 的 RXLR 的基序（參見上述），的上

7、游和下游區(qū)域的宿主定位所需的 RXLR 基序具 有一致序列，從而限定一個(gè) ca.30 個(gè)氨基酸的目標(biāo)域?？傊?，這些研究結(jié)果表明， 植物和動(dòng)物真核病原體使用類似的靶向效應(yīng)子信號(hào)進(jìn)入宿主細(xì)胞24。然而，目 前還不清楚這個(gè)功能相似是否能反映這些不同的真核生物之間的運(yùn)輸機(jī)制保守 性（下文對(duì)這個(gè)話題作進(jìn)一步討論）。馬鈴薯晚疫病菌AVR3aRXLR前導(dǎo)區(qū)介導(dǎo)的綠色熒光蛋白（GFP）的出口惡性瘧原 蟲的寄生蟲宿主紅細(xì)胞。表達(dá)野生型或突變 RXLR 區(qū)域 AVR3a 稠合到一個(gè)惡性瘧 原蟲信號(hào)肽（殘基21-69）的紅細(xì)胞GFP。組件（ii）及（v）表示的熒光圖像中，（i）及（iv）的明視野圖像，和（iii ）

8、及（引）合并后的圖像。寄生蟲（P）, 紅細(xì)胞（E），赫司特染細(xì)胞核（藍(lán)色），比例尺為2毫米。24。疫霉宿主細(xì)胞靶標(biāo)需要 RXLR 域 最近的證據(jù)表明，針對(duì)這些卵菌綱效應(yīng)子宿主植物細(xì)胞 RXLR 基序確實(shí)是需要的。 最近發(fā)現(xiàn)馬鈴薯晚疫病菌 Avr3a 和所需要的大豆疫霉 Avr1b-1 的 RXLR 序列授予 病原體時(shí)抗性植株表現(xiàn)無(wú)毒抗性，但不是在瞬時(shí)表達(dá)的。此外，具體地說(shuō)由凸出 的吸器分泌的 Avr3a 熒光融合蛋白，可能在宿主細(xì)胞內(nèi)積累。相反，一個(gè)突變的 RXLR體的融合蛋白在質(zhì)外體空間積累。這些結(jié)果表明，在RXLR域指示的效應(yīng)子 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到植物宿主細(xì)胞中后，病原分泌的介導(dǎo)信號(hào)肽。效應(yīng)子活動(dòng)

9、不需要 RXLR現(xiàn)行的觀點(diǎn)是卵菌RXLR效應(yīng)子，類似于III型分泌系統(tǒng)的細(xì)菌效應(yīng)子，模塊化 地組織成蛋白質(zhì)兩個(gè)主要的功能域3(圖1)。N-端結(jié)構(gòu)域，包含信號(hào)肽和RXLR 片段的分泌和定位功能，而剩余的C-末端結(jié)構(gòu)域具有效應(yīng)子的活動(dòng)。該模型預(yù) 測(cè)，效應(yīng)子在宿主細(xì)胞內(nèi)表達(dá)時(shí)不需要RXLR域。事實(shí)上，BOS等25最近發(fā)現(xiàn), 基因突變的馬鈴薯晚疫病AVR3aKi的RXLR序列蛋白質(zhì)在煙草葉上直接表達(dá)時(shí)不干 擾誘導(dǎo)R3A超敏反應(yīng)。事實(shí)上，AVR3aKi的缺失分析表明C-末端75個(gè)氨基酸，不 包括RXLR地區(qū)，但包括兩個(gè)多態(tài)氨基酸K80和I103突變的非功能性等位基因，當(dāng) 在植物細(xì)胞內(nèi)的直接表達(dá)時(shí)已無(wú)毒力

10、功能25。這些研究結(jié)果與N-末端區(qū)域的 卵菌 RXLR 的效應(yīng)子是參與分泌和定位，但不是必需的效應(yīng)子的活動(dòng)這個(gè)觀點(diǎn)是 一致的。C-端結(jié)構(gòu)域的RXLR效應(yīng)子通常受到正選擇AVR蛋白質(zhì)及其同源R蛋白之間的相互作用可以導(dǎo)致一個(gè)共同進(jìn)化的軍備競(jìng)賽 26。其結(jié)果，認(rèn)可的 R 蛋白效應(yīng)子域會(huì)根據(jù)選擇多樣化。考慮與效應(yīng)子活性作 用的一致性，在C-末端區(qū)域的H.寄生ATR1和ATR13比信號(hào)肽和RXLR的區(qū)域有 較高水平的多態(tài)性，特別是非同義替換 8,10。此外，三分之二的三個(gè)多態(tài)兩 者之間的Avr3a基因馬鈴薯晚疫病的殘留物的C-末端的氨基酸80和103,分別 位于效應(yīng)子結(jié)構(gòu)域9。最近的全基因組分析 RXL

11、R 效應(yīng)子表明，積極的選擇在大 多數(shù)情況下的效應(yīng)子結(jié)構(gòu)域的C-末端而比信號(hào)肽和RXLR的區(qū)域更有針對(duì)性。綜 上所述，非同義多態(tài)性優(yōu)勢(shì)的C-末端結(jié)構(gòu)域的RXLR蛋白質(zhì)與效應(yīng)子活動(dòng)的作用 是一致的，而保護(hù)的N-末端結(jié)構(gòu)域是的蛋白質(zhì)的定位與角色一致的。植物細(xì)胞中病原體缺乏的情況下 RXLR 效應(yīng)子能否進(jìn)入寄主？RXLR 蛋白對(duì)宿主細(xì)胞的運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)行編碼，也可以由病原體，寄主，或兩者兼 而有之。在我們對(duì) AVR3aKI 的研究中，我們注意到在植物的全長(zhǎng)蛋白的表達(dá)時(shí)導(dǎo) 致 R3a 依賴過(guò)敏性25。 Catanzariti 等5報(bào)道了與銹菌 AvrM 效應(yīng)子相似的結(jié) 果。然而，這些實(shí)驗(yàn)中，沒有特別的信息性

12、，因?yàn)樗鼈兛赡芡瑯拥谋唤忉?1) 分泌的效應(yīng)子隨后重新進(jìn)入植物細(xì)胞，或(2)誤定位的蛋白質(zhì)，以完善的細(xì)胞 質(zhì)途徑通過(guò)逆行運(yùn)輸?shù)?7,28。Shan等11報(bào)道，浸潤(rùn)大豆疫霉Avr1b-1RXLR效應(yīng)子，在畢赤酵母中表達(dá)，到 Rps1b 大豆葉片，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。滲透蛋白質(zhì)觸發(fā)細(xì)胞死亡的能力通過(guò)其細(xì)胞內(nèi) 的R蛋白，Rps1b，認(rèn)為的病原體編碼的機(jī)制和結(jié)構(gòu)不需要宿主的(即吸器)細(xì) 胞運(yùn)輸。令人驚訝的是，重組的能力 Avr1b-1 可能通過(guò)輸入觸發(fā)細(xì)胞死亡未得到 有效利用植物細(xì)胞研究的貢獻(xiàn)例如浸潤(rùn)的 RXLR 域的 Avr1b-1 的突變形式。這可 能解釋這些實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性差。事實(shí)上，在大腸桿菌中產(chǎn)生的重

13、組 Avr1b-1 的或昆 蟲細(xì)胞中染 SfR 中產(chǎn)生的 ps1b 在大豆植株沒有表現(xiàn)出任何生物活性。RXLR 效應(yīng)子傳遞到寄主的模型 許多關(guān)鍵的問題是RXLR域如何在寄主定位的效應(yīng)子功能。RXLR效應(yīng)子的運(yùn)輸機(jī) 制是什么？是衍生從病原體或利用宿主的效應(yīng)子交通運(yùn)輸系統(tǒng)？用于提供類似 機(jī)械卵菌綱和惡性效應(yīng)子？盡管有這些持續(xù)存在的的問題，對(duì)一些合理的假設(shè)易 位過(guò)程可以進(jìn)行。例如，它似乎明智的做法打破了運(yùn)輸過(guò)程中一分為二步驟24。 首先，反應(yīng)器外的分泌病原體細(xì)胞通過(guò)分泌途徑使用面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）類型的信號(hào) 肽。然后在一個(gè)被輸送的，分泌的效應(yīng)子宿主來(lái)源的膜，最有可能的吸器膜，通 過(guò)RXLR領(lǐng)導(dǎo)。Bhat

14、tacharjee等人在GFP的實(shí)驗(yàn)24，個(gè)的突變RXLR序列結(jié) 構(gòu)積累GFP在瘧原蟲外而不是在蟲空泡內(nèi)表明其主要功能的RXLR前導(dǎo)序列包括 跨越宿主的衍生膜運(yùn)輸。結(jié)構(gòu)相似的其他蛋白運(yùn)輸系統(tǒng)的RXLR前導(dǎo)肽表明可比組件可能是RXLR效應(yīng)子運(yùn) 輸需要的。在這里，在這些不同的可見的宿主蛋白質(zhì)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上我們提出 效應(yīng)子交付模型（圖3中示出）29。我們假設(shè)宿主易位RXLR效應(yīng)子涉及至少 一個(gè)RXLR前導(dǎo)序列結(jié)合蛋白，一個(gè)或多個(gè)附加分子伴侶，以及上的易位，它可 以是任一病原體或植物來(lái)源。它轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入宿主細(xì)胞啟動(dòng)與成熟的RXLR結(jié)合蛋白 招收通過(guò)分泌途徑分泌效應(yīng)子。在協(xié)調(diào)效應(yīng)子的貨物伴侶，隨后被轉(zhuǎn)移到

15、吸器外 膜上嵌入易位，并在跨植物細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后釋放。伴侶保持轉(zhuǎn)運(yùn)效應(yīng)子折疊 狀態(tài)在中轉(zhuǎn)易位之前和之后是非常重要的。在這一點(diǎn)上，這種模式是高度投機(jī)性，但此綱要提供了一個(gè)有用的發(fā)生器假說(shuō)， 以幫助指導(dǎo)未來(lái)的研究。事實(shí)上，該模型表明直接的研究途徑，揭示了易位過(guò)程， 例如，RXLR結(jié)合蛋白和效應(yīng)子分子伴侶的識(shí)別。plant c-eII cytosolpathogen membrane - cell wallRXLR binding proteintranslocated effectorplant c-eII cytosolpathogen membrane - cell wallRXLR bin

16、ding proteintranslocated effectorRXLR domain signal peptideCurranl Opinion in Microbiolagy一個(gè) RXLR 效應(yīng)子進(jìn)入宿主細(xì)胞的分泌和交付的假設(shè)模型（有關(guān)詳細(xì)信息，參見 文字）。RXLR 效應(yīng)子的毒力功能 雖然 RXLR 效應(yīng)子對(duì)有同源 基因活性的植物品種上被確定無(wú)毒，想必這些效應(yīng) 子感染敏感宿主時(shí)賦予了選擇優(yōu)勢(shì)性的病原體。按照這個(gè)想法， Avr1b-1 在宿 主兼容過(guò)于表達(dá)了。不幸的是， RXLR 效應(yīng)子的毒力功能在很大程度上還是未知。幾個(gè)RXLR效應(yīng)子擁有核定位信號(hào)（NLS）,這表明他們操縱宿主基因的表

17、達(dá)以確 保一個(gè)適當(dāng)?shù)那秩经h(huán)境 3,30。博斯等人25,在努力分配AVR3a毒力相關(guān)函數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)AVR3aKI抑制過(guò)敏性 細(xì)胞死亡主要由INF1在本生P.馬鈴薯晚疫病菌的激發(fā)素誘導(dǎo)。引起細(xì)胞死亡的 AVR3aKI表現(xiàn)出一定程度的抑制活性特異性。AVR3aKI沒有抑制 馬鈴薯晚疫病菌效應(yīng)子引起的細(xì)胞死亡，如 PiNPP1CRN2 與 INF1 相比引起不同和 對(duì)立的細(xì)胞死亡信號(hào)途徑31。生物學(xué)相關(guān)性， AVR3aKI 的活性可顯著考慮， 抑制先天免疫力的活體營(yíng)養(yǎng)病原體是一種普遍的功能效應(yīng)子，特別是III型分泌 系統(tǒng)（TTSS）細(xì)菌性植物病原菌的效應(yīng)子32。AVR3aKI可能干擾INF1或其他 身份不明的效應(yīng)子的無(wú)毒活性，使用類似INF1的途徑觸發(fā)高靈敏度25。未來(lái) 研究來(lái)澄清這些問題，并確定抑制細(xì)胞死亡是RXLR效應(yīng)子一種常見的功能。前景：太多的效應(yīng)子，時(shí)間太少 考慮到基因組測(cè)序和注釋五H.寄生卵菌綱的物種已接近尾聲，P. ramorum，疫 病，晚疫病，大豆疫霉，我們正在迅速向全基因組收錄RXLR效應(yīng)子。它已經(jīng)是 顯而易見，植物病原卵菌分泌的RXLR效應(yīng)子比預(yù)期的要復(fù)雜得多，也許幾百個(gè) 致力于操縱宿主細(xì)胞的蛋白質(zhì)3,15。泰勒等人15報(bào)導(dǎo)350 RXLR效應(yīng)子在 P. ramorum 和大豆疫霉的每一個(gè)基因組中使用迭代相似性搜索。在我們自己的 實(shí)驗(yàn)