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题目：Bacterial pathogens deliver water- and solute-permeable channels to plant cells

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年9月13日

通讯作者单位：杜克大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06531-5

主要内容：

对于许多致病菌来说，变得有害的关键步骤是获得将蛋白质直接注射到它们感染的宿主细胞中的能力。这些“效应”蛋白通常与宿主靶标相互作用，以减少宿主的防御反应。对于感染植物的病原体，这些效应器也可能帮助细菌克服植物细胞间隙中的水分和营养短缺，称为质外体。《自然》杂志，野村等。解决一个关于主要效应蛋白家族生化作用的长期谜团。作者发现，这些蛋白质诱导水释放到质外体中，从而产生一种称为浸水的现象。

野村等.表明属于AvrE / DspE家族的细菌效应器折叠成类似于一种蛋白质的结构，该蛋白质在细菌的外膜中形成通道，称为细菌孔蛋白。当插入植物细胞的细胞膜时，细菌孔蛋白样效应蛋白产生可渗透水和溶质（如营养物质）的通道（图1）。这种对植物的细菌操纵为质外体中的细菌生长创造了一个富含水和营养的环境。作者还发现，阻断这些通道可以抑制植物的细菌感染。

许多以植物为目标的细菌病原体依赖于效应蛋白，尽管每种病原体的效应器库从一种蛋白质到数十种不等。AvrE / DspE系列效应器被认为是细菌病原体进化过程中的早期创新。这是因为该家族存在于大多数产生效应器的细菌病原体中，并且编码这些效应器的基因位于编码效应器注射机制的基因旁边。然而，尽管这种进化上的保守性和广泛的分布，这种效应家族在宿主细胞中的生化作用直到现在仍然是神秘的。

对这些效应子进行机械理解的困难在于它们的极大尺寸（约2,000个氨基酸残基）以及它们在酵母和培养的植物细胞中表达时的毒性。它们与具有已知功能的蛋白质几乎没有相似之处，尽管当效应子被证明在注射到植物细胞后移动到细胞膜时，提出了在细胞膜中的作用。尽管它们是具有许多可能结构域的大蛋白质，但没有一个结构域具有明确的功能，并且大多数存在于该蛋白质家族的某些但不是所有成员中。

自近35年前发现以来，关于这种蛋白质家族的作用已经出现了许多线索。尽管这些蛋白质与抑制植物防御反应有关，类似于其他蛋白质家族的效应子的作用，但AvrE / DspE家族效应子对于许多病原体引起疾病的能力至关重要。该家族还与受感染植物组织的宏观水浸泡独特相关，表明在调节质外体的水合作用中起作用。

浸水的一个可能机制被认为是植物细胞的水分泄漏，经历称为坏死的死亡过程，但这个想法在感染期间事件的详细时间表上被打了折扣。4.另一种机制可能是减少植物孔隙中的水分损失，称为气孔，将质外体连接到外部空气。事实上，研究已经将AvrE/DspE家族效应器与气孔闭合联系起来，但野村等人的报告。表明故事还有更多。

解决这个效应器功能之谜的关键线索来自以蛋白质折叠预测程序的形式使用人工智能。AlphaFold2，表明AvrE / DspE家族效应蛋白在结构上与细菌孔蛋白相关。作者通过进行有针对性的研究来评估蛋白质是否具有孔蛋白样或通道功能，从而测试了这种意外的预测是否正确。Nomura及其同事使用了一系列方法，以植物膜研究模型系统为中心，包括非洲爪蛙非洲爪蟾的发育卵（卵母细胞）和体外产生的脂质囊泡（称为脂质体）。

作者证明，X. laevis 卵母细胞中的效应表达促进了穿过细胞膜的离子电流，以及依赖于溶质浓度（渗透压）和荧光染料被动摄取的细胞肿胀和破裂，所有这些都与通道功能一致。此外，尽管含有荧光染料的脂质体中效应蛋白的存在导致染料的释放，但含有大于预测通道大小的荧光蛋白的脂质体不会释放荧光蛋白。

总的来说，作者的结果表明，AvrE / DspE家族效应子在真核生物（具有细胞核的生物）的细胞膜中充当水和溶质渗透通道。这些是植物靶向细菌的首批已知效应子之一，它们在植物细胞中表现出直接的细胞功能，而不是通过宿主蛋白起作用。这些发现增加了越来越多的证据表明，操纵质外体水是病原体的主要控制点。

该研究还证明了这些发现在管理细菌植物病害方面的令人兴奋的应用。作者预测了通道直径，并确定了随后被设计用于阻塞通道的化学物质。这些合成化合物不仅抑制了马氏X. laevis卵母细胞中效应子的通道活性，而且还减少或消除了两种细菌病原体的植物感染。AvrE 和 DspE 介导的丁香假单胞菌感染 pv。梨果实上的番茄分别抑制了拟南芥和火枯病。 这些发现为细菌病原体提供了一种新的、可能有效的管理策略。此外，通过靶向植物感染所需的活性而不是细菌生长所需的活性，这种类型的通道阻滞剂应避免像抗菌治疗那样有利于耐药病原体的出现。

作者已经确定了一个关键的病原体因素，有助于对抗质外体中有限的水分可用性，从而促进细菌生长。一个主要的未解决问题是这些蛋白质如何实际调节水和溶质运动以在质外体中产生合适的水环境。回答这个问题需要更好地了解植物细胞膜上的水和溶质梯度的动态。由称为卵菌的真核病原体产生的类似效应器的发现提出了其他植物靶向病原体在感染期间是否也使用这些通道的问题。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06531-5

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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