リシンモチーフ (LysM) タンパク質: 植物免疫と菌類の相互作用操作
May 11, 2023
概要：
リシンモチーフを持つタンパク質 (LysM) は、宿主と病原体の相互作用において重要な役割を果たす炭水化物結合タンパク質モジュールです。 植物の LysM タンパク質は主に、キチンを感知して植物の免疫を誘導するパターン認識受容体 (PRR) として機能します。 対照的に、真菌の LysM はキチンの感知またはシグナル伝達をブロックして、キチン誘導性の宿主免疫を阻害します。 このレビューでは、植物および真菌の LysM に関する歴史的観点を提供し、これらのタンパク質が微生物による植物の免疫応答の制御にどのように関与しているかを示します。 植物は、LysM タンパク質を使用して真菌のキチンを認識し、植物キチナーゼによって分解されて免疫を誘導します。 対照的に、真菌病原体は LysM タンパク質を動員して植物キチナーゼによる加水分解から細胞壁を保護し、キチン誘導性免疫の活性化を防ぎます。 LysM が操作において極めて重要な役割を果たしているこの共進化的な軍拡競争を明らかにすることで、植物と菌類の相互作用を支配するメカニズムの理解が促進されます。
キーワード:
リシンモチーフ（LysM）タンパク質。 植物と菌類の相互作用。 キチン。 免疫操作。
ライシン モチーフ (GRAS) は、さまざまな生物に存在する保存されたタンパク質配列の一種です。 それらは植物や菌類の成長と発達、ストレス適応の調節に関与しており、哺乳類にも見られます。 最近の研究では、GRAS タンパク質が植物や哺乳類の免疫応答の調節にも関与しており、それによって免疫に影響を与えていることが示されています。 植物では、GRAS タンパク質は病原体に対する植物の防御反応の仲介に関与しています。 たとえば、シロイヌナズナでは、GRAS タンパク質 SHR および SCR が病原体に対する植物の根の抵抗力に関与しており、これらのタンパク質は植物の根にアポトーシスを誘導し、病原性細菌の死を促進することができます。 さらに、GRAS タンパク質は、植物の免疫活性化における遺伝子発現の制御に関与することにより、病原体に対する植物の耐性も強化します。
哺乳類では、GRAS タンパク質の免疫機能に関する研究はほとんどありませんが、いくつかの研究で GRAS タンパク質が免疫調節に関与していることが示されています。 たとえば、GRAS タンパク質 SPRY2 は、T 細胞の増殖と活性化を阻害し、制御性 T 細胞の数を増加させることで、免疫応答のバランスを調節します。 一方、GRAS タンパク質 OSL1 は哺乳動物の免疫応答の調節にも関与し、T 細胞の活性化と増殖を阻害することができます。
したがって、GRAS タンパク質は植物や哺乳類の免疫応答の制御に関与し、それによって免疫に影響を与えることがわかります。 今後の研究では、免疫調節における GRAS タンパク質の特定の役割とメカニズムを調査し、新しい免疫調節剤の開発に理論的基礎を提供する必要があります。 これは免疫力の重要性を示しているので、免疫力を高める必要があります。 カンクサは免疫力を高める効果があります。 肉灰には、多糖類、2 つのキノコ、黄李などのさまざまな生物学的活性成分が含まれています。免疫系のさまざまな細胞を刺激し、免疫活性を高めます。
1. はじめに
植物は動かないので、病原菌など、生涯を通じてさまざまな課題に直面します。 植物は動物のような循環免疫系を持たず、病原体と戦うための抗体を生成しません[1]。 このように、植物はその進化を通じて、病原体の侵入から身を守る独自の戦略を考案してきました。 植物は、病原体を検出し、その後阻止する手段として免疫受容体を進化させてきました[2]。 植物の免疫受容体は、パターン認識受容体 (PRR) とヌクレオチド結合ロイシンリッチリピート受容体 (NLR) の 2 つの主なタイプに分類できます [3]。 PRR は病原体に対する主な防御手段として使用されています。
一般に、PRR は細胞膜に局在し、一般に細胞外リガンド結合ドメイン、膜貫通ドメイン、および細胞内キナーゼドメインを含む受容体キナーゼファミリーに属します [4]。 PRR の細胞外ドメインは、細菌性リポ多糖 (LPS)、フラジェリン、EF-Tu (熱不安定性伸長因子)、ペプチドグリカン、真菌キチン、α-グルカンなどの分子関連分子パターン (MAMP) を特異的に認識でき、エルゴステロールは膜貫通ドメインを介して細胞内キナーゼドメインに作用し、下流の免疫シグナルを増強します[5-7]。 植物の免疫システムの障壁のこの最初のレベルを突破するために、病原体はエフェクターと呼ばれる小分子を植物細胞に分泌します。 これらのエフェクターは、PRR とその複雑なシグナル伝達の翻訳と活性を阻害することにより、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ (MAPK) シグナル伝達とその下流伝達を妨害します。 これに加えて、ROS の生成、小胞輸送、カルスの沈着、細胞壁の強化などのいくつかの細胞プロセスを妨害することにより、植物の免疫に影響を与える可能性もあります [5,7]。
LysM ドメインには、植物の免疫を調節する PRR において、または植物の免疫を抑制する病原菌のエフェクターとして直接役割を果たすタンパク質が含まれています [8]。 LysM ドメインは一般的なペプチドグリカン結合モジュールであり、2 つのヘリックスが逆平行シートの同じ側に積み重なった二次構造を持っています。 一般に、LysM モジュールには約 50 個のアミノ酸が含まれており、ペプチドグリカン、キチン、およびそれらの誘導体に結合します [9]。 LysM ドメインは最初にバクテリオファージの抗菌酵素リゾチームで発見され [8]、LysM ドメインタンパク質が真核生物と原核生物に広く分布していることが判明した研究が増えています [10、11]。
宿主免疫の回避を助ける機能的ドメインとして、LysM ドメインタンパク質の機能は、真菌のキチン多糖への LysM ドメインの結合特性に依存しています。キチン多糖は、一般に植物のキチナーゼによって分解される真菌の細胞壁にある不溶性の複合炭水化物です。 12]。 真菌病原体の細胞壁は宿主植物との最初の接触点であり、真菌細胞壁の主成分はキチンです[12]。 植物の場合、真菌のキチンは MAMP として機能し、植物内の同族 PRR と結合することで植物の免疫を誘導します。 対照的に、宿主防御反応を回避するために、LysM ドメインを含むエフェクターが真菌病原体によって分泌され、その細胞壁を保護します。 真菌細胞壁の必須成分であるキチンは、LysM タンパク質によって媒介される宿主免疫の操作において重要な分子として機能します。 この分子間相互作用は、細かく制御された宿主と病原体のプロセスの結果を強調しており、それが作物の耐病性を改善する基礎となっている[13]。
したがって、このレビューでは、LysM のメカニズムの理解を容易にするために、植物と菌類の LysM タンパク質の生物学的特性、宿主免疫の操作が起こるメカニズム、および植物と菌類の間のそれらの相互作用的役割の包括的な評価を提供します。 -媒介免疫と農業におけるその重要性。
2. LysMは植物のキチンシグナル伝達を媒介する
LysM は、LysM 含有受容体様キナーゼ (LYK) または非キナーゼ LysM の形で存在します [14]。 LYK は植物のみに存在し、植物の免疫の調節に関与しています [14]。 植物の LysM タンパク質は非常に多様で、非キナーゼ型とは異なり少なくとも 6 種類の異なるタイプがあり、LysM タンパク質がさまざまな複雑な構造ドメインで存在することが示唆されています [14,15]。 しかし、ほとんどの非キナーゼ LysM 遺伝子には生物学的機能が割り当てられていません。
2.1. シロイヌナズナとイネの LysM
PRR による病原体関連分子パターン (PAMP) の認識は植物防御の最初のステップであり、PAMP は真菌のキチンやキトオリゴ糖、細菌のペプチドグリカンなどの保存された誘発分子であり、PRR の成熟と輸送は重要な生物学的プロセスです。 キチンエリシター受容体キナーゼ 1 (CERK1) は、イネとシロイヌナズナに見られる古典的な LysM メンバーです [16、17]。 これは植物細胞膜上の PRR として機能し、病原性真菌に由来するいくつかの保存的な分子パターンを認識し、宿主の免疫応答を誘導します (図 1)。 3 つの LysM ドメインを含む CERK1 は、キチンオリゴ糖誘導物質の認識と N-アセチルグルコサミンの伝達において重要な役割を果たします。 残基の長いキチンオリゴ糖に対して高い親和性を示します。 真菌 MAMP キチンによって誘導される免疫応答には、MAPK 活性化、活性酸素種 (ROS) 生成、および防御遺伝子の発現が含まれます [16、18-20]。
米のキチン受容体 OsCERK1 は小胞体で成熟し、そこからゴルジ体を通って外小胞体に輸送されます。 このプロセス中に、ストレス誘導タンパク質 (Hop/Sti1) と熱ショックタンパク質 90 (Hsp90) は、1 つ以上の植物特異的 Rho 型 GTPase OsRac1 を組み立てることができます。OsRac1 は、Rho ファミリー グアノシン三リン酸アーゼ (GTPase) のメンバーであり、小胞体への輸送、その後の小胞体から小胞体への OsCERK1 の輸送によって、OsCERK1 の成熟が制御されます。 輸送プロセスは、低分子 GTPase 分泌関連タンパク質と ras 関連タンパク質 1 (GTPase Sar1) の制御に依存しています [21]。
OsRac1 は、小さなグアニンヌクレオチド制御 (G) タンパク質として、真菌キチンがイネの細胞によって認識された後の免疫を制御する受容体複合体を含む OsCERK1- に関与しています [21,22]。 CERK1 の下流成分であるセリン/スレオニンプロテインキナーゼ様 27 (PBL27) と考えられる受容体様細胞質キナーゼ (RLCK) メンバーは、キチンセンシングと下流シグナル伝達において重要な役割を果たし、最終的に調節に寄与します。シロイヌナズナにおけるキチン誘導免疫の研究 [23]。 CERK1 キチン認識後、PBL27 は CERK1 によってリン酸化されます。 リン酸化された PBL27 は、その後 MAPK の活性化に関与します [23]。 同様に、イネ OsRLCK185 の受容体様細胞質キナーゼもキチン活性化 OsCERK1 によってリン酸化され、MAPK 応答を誘発する可能性があります [24,25]。 OsRLCK185 はまた、酵母 Dre2 タンパク質のイネホモログである細胞質フェリチン OsDRE2a をリン酸化し、キチン誘導性 ROS バーストを調節します [26]。 OsRLCK57、OsRLCK107、OsRLCK118、および OsRLCK176 を含む他の RLCK VII メンバーも、いくつかのキチンシグナル伝達経路に関与しています [27-29]。
さらに、CERK 媒介シグナル伝達に関与する他のいくつかの下流成分もシロイヌナズナで同定されています。{0} 植物 U-box タンパク質 4 (PUB4) は、CERK1 と相互作用するユビキチン リガーゼです。 これは、キチンオリゴ糖の認識による ROS 産生とカロースの沈着における役割を通じて、キチンシグナル伝達の正の調節因子です [30]。 RLCK VII-4、RLCK VII-5、RLCK VII-7、および RLCK VII-8 を含むシロイヌナズナ受容体様細胞質キナーゼ VII メンバーは、フラジェリンとフラジェリンに関与する PRR の下流で機能します。キチンシグナル伝達は、カロースの沈着と ROS 生成に寄与します。 RLCK VII-4 は、キチンの知覚による MAPK カスケードの活性化における役割を通じてキチンシグナル伝達にとって重要であることが特に示され、PRR を MAPK シグナル伝達に結び付けます [31]。 総合すると、これらの結果は、CERK1-RLCKシグナル伝達モジュールが、キチン誘発免疫反応中のシロイヌナズナとイネのROS産生において保存された役割を果たしていることを示している[21-31]。
興味深いことに、キチン受容体 CERK1 は、キチン結合に必要な 3 つの細胞外 LysM ドメインすべてを伴ってキチンに直接結合することが示されましたが、より重要なことに、他の相互作用タンパク質を必要とせず、したがって、CERK1 が植物における主要なキチン結合タンパク質であるという証拠が得られました。 32]。 保存された膜近傍 (JM) 膜傍ドメインは、シロイヌナズナの CERK1 のキナーゼ活性を制御します。 さらに、JM 膜傍ドメインも、シロイヌナズナのキチン感知シグナルの活性化において機能的に保存された役割を果たしています [33]。 最後に、キチン誘導性の CERK1 の二量体化は、キチンによって誘導される免疫シグナル伝達に必要な重要な生物学的プロセスです [34]。 たとえば、リガンド誘導性の CERK1 ホモ二量体化は、リガンドの認識、受容体の活性化、免疫シグナル伝達の分子パターンに必要です [34,35]。
タンパク質のリン酸化は、植物の LysM シグナル伝達における重要な調節ステップでもあります [23]。 まず、CERK1 は LysM によるキチン結合に直接関与する主要なキチン結合タンパク質であるため、そのキチンシグナルの知覚と伝達は翻訳後修飾とキナーゼ活性に依存しています [32]。 CERK1 がシロイヌナズナの受容体様細胞質キナーゼ PBL27 をリン酸化することが知られています [23,36]。 同様に、イネでは、OsRac1 のグアニンヌクレオチド交換因子 OsRacGEF1 が細胞質キナーゼ OsCERK1 によってリン酸化されます [22]。 CERK1 はまた、LYK5 と相互作用してキチンオリゴ糖を感知し、キチンシグナル伝達カスケードの下流成分を活性化します。 その後、LYK5 は CERK1 から分離して小胞に入り、CERK1 によるリン酸化によってエンドサイトーシスを受けます [37]。 キチンセンシング後、CERK1は、Ser/Thrホスファターゼと予測されるCERK1-相互作用プロテインホスファターゼ1（CIPP1）を動員して、Tyr428を脱リン酸化し、CERK1シグナル伝達を弱める[38]。
LysM ドメインを含む他の RLK および RLP はイネやシロイヌナズナにも存在し、キチンシグナル伝達に関与しています。 たとえば、キチン励起子結合タンパク質 (CEBiP) は、イネで最初に発見された植物 LysM RLP でした [39]。 OsCEBiP キチン認識ドメインの分子構造の分析により、OsCEBiP の遊離外部ドメイン (ED) (OsCEBiP-ECD) の結晶構造には 3 つのタンデム LysM が含まれており、その後にシステインに富むドメインの新しい構造的折り畳みが続いていることが示されました [40]。 構造解析では、キチンの結合が OsCEBiP の立体構造に大きな影響を与えることはできないが、「スライディング モード」のキチンは OsCEBiP の凝集を引き起こし、それがイネの細胞におけるいくつかのキチン誘導因子の認識と伝達に重要な役割を果たすことも示した [39-41]。
さらに、OsLYP4 と OsLYP6 は、LysM-RLP として、おそらく小さなキチン受容体としてキチン親和性を示します [42]。どちらもホモ二量体およびヘテロ二量体を形成し、CEBiP と相互作用してペプチドグリカン (PGN) とキチンのシグナル伝達に関与します。 [42,43]。 OsCERK1 は、OsLYP4 および OsLYP6 とバインドするリンクとしても使用できます [44]。 シロイヌナズナの OsCEBiP ホモログであるグリコシルホスファチジルイノシトール対アンカータンパク質 2 (LYM2) を含むリシンモチーフドメインは、イネ CEBiP との類似性を示しますが、p-キチンオリゴ糖との結合親和性が高いにもかかわらず、シグナル伝達には関与していません [44]。 LYM2 は、キチンオリゴ糖の存在下で原形質連絡を介した分子フラックスの減少を媒介して、真菌病原体ボトリチス ハラールに対する防御応答を誘導しますが、LYM2 は CERK1- 媒介キチン誘発防御応答には必要ありません。シロイヌナズナには少なくとも 2 つの独立したキチン活性化応答経路がある [44]。
さらに、シロイヌナズナでは、LysM RLK 相互作用キナーゼ 1 (LIK1)、LysM 受容体キナーゼ 3 (LYK3)、LysM など、他のいくつかの CEBiP ホモログがキチンシグナル伝達と植物免疫の制御に関与していることが判明しています。{0}受容体キナーゼ 4 (LYK4)、および LysM 受容体キナーゼ 5 (LYK5) [37,44-47]。 いくつかのキチンオリゴマーは AtLYK5 のヘテロ二量体化と AtCERK1 のホモ二量体化を誘導する可能性がありますが、キチン誘導性の AtLYK5–AtCERK1 ヘテロ二量体は AtCERK1 ホモ二量体よりも強力です。これは、AtCERK1 のみにキナーゼドメインが含まれており、細胞内キチンシグナル伝達の開始にも関与していることが示されているためです。 48]。
負の調節因子は、基本的および初期の病原体誘導性防御遺伝子の発現や、キチン誘導性の持続的な免疫損傷からの植物の成長の保護にも重要な役割を果たしています[36]。 例えば、AtLYK3 と LIK1 はキチン誘導性の植物防御を負に制御し、細胞質キナーゼ PBL27 複合体の構成要素として機能します。 植物 U-box タンパク質 12 (PUB12) は、キチン誘導免疫を負に制御します [36、45、47]。 キチン活性化された AtCERK1 は、キチンシグナル伝達をブロックする負のフィードバック機構として使用できる CIPP1 を動員することにより、その 428 チロシン残基を脱リン酸化します [38]。 しかし、植物がこれらの正と負のシグナル伝達体制のバランスをどのようにとるか、あるいは他のシグナル伝達分子に依存しているかどうかはまだ不明です。
最後に、免疫応答は、植物と病原体の相互作用中に複数のシグナル伝達クロストークを含む複雑かつ正確なネットワークであり、LysM も例外ではありません [46]。 AtLYK3 は、ホルモン アブシジン酸 (ABA) を介した植物免疫応答との負のクロストークに関与しています [46]。 LIK1 は、ジャスモン酸/エチレン (JA/ET) ホルモンシグナル伝達を正に制御し、キチン誘導性の植物防御応答を負に制御します [47]。 EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) の LysM ドメインは、胚盤胞の発生と機能に関与しています [49]。 CERK1 は、アーバスキュラー菌根菌 (AM) の共生と植物の塩ストレスの両方に応答して必要とされます [50-53]。 これらの結果は、CERK1 が RLK として免疫応答に関与することに加えて、2 つ以上の機構的に独立した機能も実行することを示唆しています。 例えば、CERK1はキチンとは独立して細胞死制御において役割を果たしている可能性があり、そのキナーゼ活性には依存していない[54]。
唯一の真菌細胞壁グリコシド構造として機能するキチンオリゴ糖 -1、4-N-アセチルグルコサミン オリゴマー (GlcNAc) は植物でも MAMP として機能しますが、非分岐 -1、{キュウリ多層オリゴ糖の {4}} グルカンも、シロイヌナズナにおいて CERK1 受容体媒介 PAMP 誘発免疫 (PTI) を引き起こす可能性があります [55]。 シロイヌナズナ CERK1 は、Fusarium oxysporum に対する非宿主耐性に応答して植物免疫を媒介します [56]。 最近、OsCERK1 は、イネにおける細菌性リポ多糖 (LPS) 誘発性の免疫応答の誘発において追加の役割を果たしていることが示唆されています [54]。 シロイヌナズナのcerk1-4変異対立遺伝子は細胞外タンパク質加水分解産物を蓄積できず、感受性の増強や老化の誘導につながった[54]。 植物 cerk1-4 は正常なキチン応答を示したため、細胞死は AtCERK1 のキナーゼ活性とは関連していませんでした [54]。 シロイヌナズナの耐塩性における AtCERK1 の役割も報告されており、AtCERK1 は塩誘導性のカルシウム内向き流動の原因となるカルシウム チャネル タンパク質 ANNEXIN 1 (ANN1) と相互作用します [50]。
2.2. 他の植物における LysM
CERK1 ホモログは、他の植物でも、特に免疫操作において重要な生物学的機能を持っています [57-59]。 LysM 含有タンパク質は、さまざまな細胞プロセスにおいて機能的にも分化します。 CEBiP ホモログである桑の LysM 含有タンパク質 1 (MmLYP1) は、不溶性キチンに対する阻害効果があり、子嚢菌による感染中に LysM 含有タンパク質 2 (MmLYK2、CERK1 ホモログ) に依存します [60]。 ワタでは、2 つの LysM 受容体様キナーゼ、Gh-LYK1 および Gh-LYK2 が、バーティシリウム萎凋病に対するワタの抵抗性に一定の影響を及ぼします。 Gh-LYK1 および Gh-LYK2 の 3 つの LysM ドメインはすべてキチン結合能力に必要であり、ワタ植物における Gh-LYK1 および Gh-LYK2 のウイルス誘導遺伝子サイレンシング (VIGS) は、Verticillium dahliae に対する耐性を低下させます。
しかし、Gh-LYK2 と Gh-LYK1 は綿の防御に異なって寄与する可能性があります。 Gh-LYK1ではなくGh-LYK2は擬似キナーゼであり、Gh-LYK2のEDは植物でROSバーストを誘発する可能性がある[58]。 ワタの GhWAK7A は GhLYK5 および GhCERK1 と直接相互作用し、キチン誘導性の GhLYK5-GhCERK1 二量体化を促進します。これはキチン誘導性の応答において重要な役割を果たします [61]。 さらに、LysM 型受容体様タンパク質 1 (LYP1)、LysM 含有受容体様キナーゼ 7 (LYK7)、および細胞外 LysM タンパク質 3 (LysMe3) はキチンシグナルを認識する膜受容体であり、下流の防御プロセスを活性化して耐性を強化することができます。 V. dahliae [62] に。 イネの OsCERK1 とは異なり、トマトの LysM タンパク質は機能的に大きな相違を示します [63]: トマトでは、SlLYK10 と SlLYK12 は AM 共生の制御に関与し、SlLYK1 はキチン誘導性の免疫応答に関与し、SlLYK13 は細胞死に関与します [57] ,64]。 リンゴの AtCERK1 ホモログである MdCERK1 は、Alternaria alternata に対する耐性を向上させます [59]。 プテリス・リュウキュウエンシスのキチナーゼ-A (PrChiA) はキチン結合活性と抗真菌活性を持っていますが[65]、スギナのキチナーゼ-A (EaChiA) は持っていません[66]。 PrChiA と EaChiA の主な構造の違いは LysM ドメインの数です [66]が、これが抗真菌活性の違いに関連していることを示唆するデータはありません。 さらに、リンゴ、ブドウ、ジャガイモ、リンゴの木にも LysM タンパク質が存在することが確認され、キチン誘導性の免疫応答に関与していることが証明されています [59、67-69]。 エンドウ豆、ペチュニア、アルファルファの LysM タンパク質は植物の AM 共生に関与しています [70-73]。
3. LysMは真菌のキチンシグナル伝達を阻害する
多くの真菌病原体は、植物のキチン受容体と同じ LysM ドメインを含むエキソソーム エフェクターをコードしています。 ほとんどの真菌病原体は、キチンの感知またはシグナル伝達をブロックすることにより、キチン誘導性の植物免疫を阻害します [74-79]。 最初に発見された LysM ドメインエフェクターである Cladosporium flavum の Ecp6 は、感染中にキチンをキレートします [74]。 細胞溶解によって侵入した菌糸体の細胞壁から放出された、または植物キチナーゼによって分解されたキチンオリゴ糖は、キチンオリゴマーに結合して植物の認識を防ぎ、キチンによって引き起こされる植物免疫をブロックします[74,75]。 その後、植物免疫の阻害に関与する一連の真菌 LysM エフェクターが発見されました。
植物に炭疽病を引き起こす子嚢菌の細胞外 LysM 構造タンパク質である Colletotrichum higginsianum の ChELP1 および ChELP2 は、付着、細胞機能、およびキチン誘発性の植物免疫抑制において二重の役割を果たしています。 ChELP1とChELP2は、真菌の病原性と、シロイヌナズナの表皮細胞とセロファン膜を透過する能力の維持において重要な役割を果たしている[79]。 トウモロコシ炭疽病菌コレトトリクム グラミニコラ (Cgfl) のファンガリシン メタロプロテイナーゼには、2 つの LysM ドメインだけでなく、保存された触媒部位 HEXXH ドメインの亜鉛メタロプロテイナーゼも含まれており、菌類で広く保存されています。 トウモロコシに寄生すると、生物栄養相中に Cgfl が特異的に発現し、この真菌は Cgfl 媒介戦略と LysM タンパク質媒介戦略の両方を使用して、宿主のキチナーゼ活性を抑制することによってキチンシグナルを制御することが示されている [80]。 同様に、イネいもち病菌である Magnaporthe oryzae は、LysM タンパク質 SLP1 だけでなく、表面認識およびキチン誘導の抑制に必要な補助活性ファミリー 9 タンパク質 (Aa9) ホモログ MoAa91 (M. oryzae の) にも依存します。植物の免疫反応。 MoAa91 は、付着器の発達に必要な G タンパク質シグナル伝達 (RGS) および RGS 様タンパク質によって制御され、転写因子 MoMsn2 による負の制御も受けます。 MoAa91 変異体は人工的に誘導された界面で未熟な接着細胞を形成し、遺伝子欠失変異体は病原性を大幅に低下させました。
さらなる研究により、MoAa91はエキソソーム空間に分泌され、そこでイネの免疫受容体CEBiPと競合することによってキチンおよびキチンオリゴ糖と結合し、その結果、キチン誘導性の植物の免疫応答が阻害されることが示された[81]。 小麦病原体 Zymoseptoria tritici の ZtGT2 タンパク質は、真菌の細胞壁の最表面を維持し、固体表面での菌糸の伸長を助ける機能を持っています。 これは真菌に広く存在しており、その喪失により、菌糸伸長におけるハンディキャップから生じる宿主表面上の病原体毒性の喪失がもたらされました。 病原性真菌 Fusarium granearum の ZtGT2 オルソログの変異により、LysM ドメインのキチン結合毒性エフェクターである重要な LysM ドメイン Zt3LysM を含む、いくつかの膜貫通タンパク質および分泌タンパク質の発現が構成的に増強されました。 同族の F. granearum 変異体では葉の表面への付着は影響を受けなかったが、変異体では菌糸の成長が重度に障害されたため、コムギの穂に生えたこの分類学的に無関係な真菌でも同様の病原性が失われた [82]。
小麦のセプトリア トリチシ斑病を引き起こす Mycosphaerella graminicola は、生物栄養性葉かび病原体 Cladosporium fulvum のエフェクタータンパク質細胞外タンパク質 6 (Ecp6) の相同体であるエフェクター Mg1LysM および Mg3LysM を保有しています。 これまでの研究では、これらの真菌エフェクターがキチンに結合し、その結果、おそらくキチン受容体 CERK1 および CEBiP を通じて活性化される宿主の免疫応答から病原体が回避するのを助けることによって、植物由来のキチナーゼから真菌の菌糸を保護することが示されている [76,77]。 エフェクタータンパク質を分泌するマグナポルテ グリセアの LysM 構造タンパク質、分泌型 LysM タンパク質 1 (SLP1)、およびリゾクトニア ソラニ LysM エフェクター (RsLysM) は、キチンに結合することでキチン誘発免疫を阻害しますが、菌糸を加水分解から保護することはできません [76,77、 83]。 ペニシリウム属の 18 種類の推定 LysM タンパク質の研究。 らは、PeLysM1、PeLysM2、PeLysM3、およびPeLysM4の発現レベルが病原体感染中に有意に増加するが、真菌の毒性には影響を及ぼさないことを発見した。 PeLysM3 は、胞子の発芽と成長速度を調節することも証明されています [84]。
しかし、真菌の LysM は、常に宿主に有害な影響をもたらす植物免疫の操作に関与しているだけではありません。 モデルアーバスキュラー菌根（AM）真菌種リゾファグス・イレギュラーリス（RiSLM）から同定された分泌型LysMエフェクターは、宿主であるメディカゴ・トランカチュラとの共生中に根元菌糸体内で最も多く発現されるエフェクタータンパク質の1つである。 インビトロ結合実験により、RiSLM がキチンオリゴ糖に結合して真菌細胞壁をキチナーゼから保護することが示されました。 さらに、RiSLM はキチンによって引き起こされる免疫応答を効果的に妨害して、共生中にキチンによって引き起こされる免疫を覆すことができます。これは、進化のある時点での共生菌と病原性真菌の両方における LysM エフェクターの共通の役割を示しています [85,{{2} }]。 同様に、有益な真菌であるトリコデルマ ビリデは、GlcNAc オリゴマーを隔離する Tal6 のようなエフェクターを採用しており、それによって植物の監視機構による真菌由来の N-アセチルグルコサミンの認識を妨害し、宿主のキチナーゼから真菌の菌糸を保護することにつながっている[87]。
転写後修飾としての N-グリコシル化は、宿主免疫を回避する能力を調節するために真菌病原体によって広く使用されるエフェクターの典型的なメカニズムです [88]。 Slp1 の Alg3- 媒介 N-グリコシル化は、タンパク質の安定性とキチン親和性に必要です。 宿主の自然免疫を回避するには、Slp1 を利用した N-グリコシル化が必要である [88]。 ChELP1 と ChELP2 も N-グリコシル化されています [79]。 これらの研究は、N-グリコシル化が必須であり、超高キチン親和性を達成するための真菌 LysM エフェクターの一般的な修飾であることを示唆しています [88]。 病原性真菌 Magnaporthe oryzae のさまざまな生物学的発生段階における N-グリコシル化タンパク質の大規模な同定と比較により、355 のタンパク質の 559 個の N-グリコシル化部位が同定されたことが示されました。 それらのほとんどは、菌糸体、分生子、細胞の付着と分化などのさまざまな生物学的発達プロセスに関与しています[89]。
4. LysM は植物と病原体間の免疫応答の操作を連動させる
植物と病原体の相互作用における誘導性防御反応に関する現在の見解は、いわゆるジグザグ モデルでよく捉えられています。 このモデルでは、最初に誘導される防御は PRR によって活性化され、PRR は MAMP を認識する細胞表面受容体です [90]。 この防御反応には、局所的な細胞壁の強化、活性酸素種の生成、抗菌化合物の生成と放出が含まれ、これらが一緒になってほとんどの微生物の侵入を防ぎます[1、3、7、90]。 病原体が分泌エフェクターを使用して宿主の防御をうまく克服すると、エフェクター誘発感受性が確立されます。これはジグザグ モデルの重要な要素です [1]。 LysM タンパク質は植物と菌類の両方に存在する重要なメンバーであり、植物と病原体の間の免疫調節を相互接続する重要な役割を果たすはずです。
菌類と植物の相互作用中、菌類が最初の植物の障壁を突破して宿主の表面に侵入すると、植物の LysM タンパク質が PRR として機能してキチンを認識し、免疫を誘導します。 この植物は分泌型キチナーゼを利用して菌類の細胞壁を加水分解し、遊離のオリゴキチンを放出します。 続いて、下流の LysM 細胞質キナーゼによって防御シグナルが伝達され、真菌の増殖を抑制するための植物の免疫応答が引き起こされます。 逆に、真菌は LysM タンパク質を分泌してキチン誘導免疫を抑制します。 微生物の LysM タンパク質は、最表面に結合するか、植物の LysM 受容体と競合してキチン断片に結合し、最終的には植物の免疫を克服して真菌感染を促進することにより、真菌の細胞壁を加水分解から保護します。
したがって、LysM タンパク質は植物と病原体の間の免疫操作を相互接続します。 これは、Verticillium spp.でよく実証されています。 ワタでは、Gh-LYK1、Gh-LYK2、GhLYK5 [58] など、いくつかの LysM タンパク質がキチン結合能力を通じてバーティシリウム萎凋病に対するワタの抵抗性に一定の影響を与えています。 V. dahliae では、Vd2 の LysM の効果が病原体の毒性に寄与し、キチンに結合してキチン誘発免疫反応を抑制し、それによって真菌の菌糸を植物の加水分解酵素による加水分解から保護します [91]。 病原体は、LysM エフェクターを使用してキチンポリマーと相互作用して菌糸体を保護することによって植物の免疫をブロックするだけでなく、バーティシリウム アルファルファも、相互作用する炭水化物結合モチーフ 18 (CBM18) ドメインを含むバーティシリウム ノアルファルファ キチン結合タンパク質 (VnaChtBP) を分泌します。キチンポリマー[92]。 さらに、V. dahliae に関する最近の研究では、多糖デアセチラーゼ遺伝子 (VdPDA1) の欠失が V. dahliae の病原性に深刻な影響を与えていることが判明しました [93]。 VdPDA1 は、アルカリ環境下で可溶性キチンオリゴ糖に対して強力なキチンオリゴマー脱アセチラーゼ活性を示します。 さらなる研究により、脱アセチル化キチンオリゴ糖はLysM受容体の認識を妨げ、細胞内でのキチンセンス免疫シグナル伝達の遮断につながり、ホストVの際の宿主の免疫応答を抑制することが明らかになった。 ダリアの相互作用 [93]。 したがって、病原性真菌は、(1) キチンオリゴマーに対して高い親和性を持つ細胞外エフェクターを分泌する、(2) 植物 LysM 受容体キナーゼと結合するためにキチンと競合するエフェクターを分泌する、(3) 免疫応答を避けるためにキチンを脱アセチル化する、ということによってキチンシグナル伝達をブロックすることができます。
5. 結論と今後の研究の展望
菌類と植物の間の共進化的な軍備競争は、植物と病原体の間の免疫操作を介して、菌類のキチンに対する植物の防御反応をもたらします。 成功した真菌は、最終的に植物の感受性につながる植物の LysM 媒介免疫応答を妨害する LysM エフェクタータンパク質を進化させました。 次に、植物は防御反応を刺激するために LysM 受容体を進化させました。 菌類が進化して新しい LysM エフェクターを生成したり、他の方法で宿主の免疫に干渉したりすると、植物も新しい LysM 受容体で応答して植物免疫を維持すると考えられています。
植物や菌類の LysM タンパク質を理解するどころか、近い将来研究を推進すべき優先課題には次のようなものがあります: (1) 真菌の LysM エフェクターと植物のキチンシグナル伝達におけるその阻害機構についての現在の理解は、新たに出現したものを含め、さらなる進歩が必要です。宿主と病原体の両方による免疫調節の相互接続に関与する他の真菌エフェクターの役割、または未知の植物 LysM 受容体の発見など。 （2）植物と菌類のLysMタンパク質の異なる/共通の特徴とそれらの進化的関係の同定（これにより、LysMが植物と病原体の間の免疫操作をどのように相互接続するかについての共進化の理解が促進される）。 (3) 植物と真菌の相互作用における免疫操作機能を除いて、特に真菌における LysM タンパク質の他の機能は何であるか (免疫操作に関与するメンバーに加えて、LysM タンパク質の他のメンバーの生物学的機能は依然として維持されている)不明瞭）; (4) 真菌の LysM タンパク質は、植物のキチナーゼによる加水分解から細胞壁を保護し、植物と真菌の相互作用中に免疫を操作するエフェクターとして機能します。 しかし、植物の健康のために有益な微生物の利用を促進し、食料安全保障を持続的に達成するには、AM 共生における LysM タンパク質の役割についてもさらなる研究が必要です。
著者の寄稿:
X.-YY と X.-FD がこの論文のテーマを考案しました。 S.-PH が原案を書きました。 J.-JL、J.-PL、および WJ が原稿の準備とレビューに参加しました。 ND と J.-YC が編集を支援しました。 すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。
資金提供:
この研究は、中国国家重点研究開発プログラム（2018YFE0112500）、J.-YCへのエリート青少年プログラム（中国農業科学院、CAAS）、Xへの農業科学技術イノベーションプログラム助成金によって支援されました。 -FD、および中国国家自然科学財団の WJ への助成金 (32001845)
治験審査委員会の声明:
適用できない。
インフォームド・コンセントの声明:
適用できない。
データの可用性に関する声明:
適用できない。
謝辞:
紙面の都合上、研究内容を適切に引用できなかった研究者の皆様に、あらかじめお詫び申し上げます。 有益な提案をしてくださった Krishna V. Subbarao (カリフォルニア大学デイビス校) に特別な感謝の意を表します。
利益相反:
著者は利益相反がないことを宣言します。
参考文献
1. Zipfel、C. 植物のパターン認識受容体。 トレンド免疫。 2014、35、345–351。 [相互参照]
2. ニュルンベルガー、T. Kemmerling, B. 受容体プロテインキナーゼ – 植物免疫におけるパターン認識受容体。 トレンド植物科学。 2006、11、519–522。 [相互参照]
3. ルー、Y。 Tsuda, K. 植物免疫における PRR および NLR 媒介シグナル伝達の密接な関連。 モル。 植物微生物の相互作用。 2021、34、3–14。 [相互参照]
4. リー、B. ルー、D。 Shan, L. 植物の自然免疫におけるパターン認識受容体のユビキチン化。 モル。 植物パソル。 2014、15、737–746。 [相互参照]
5. セントルイス州チザム; コーカー、G. デイ、B. Staskawicz, BJ 宿主と微生物の相互作用: 植物の免疫応答の進化を形作る。 セル 2006、124、803–814。 [相互参照] [PubMed]
6. ユウ、X。 フェン、B. 彼、P。 Shan、L. カオスから調和へ: 微生物のパターン認識における応答とシグナル伝達。 アンヌ。 フィトパトール牧師。 2017、55、109–137。 [相互参照] [PubMed]
7. マサチューセッツ州ニューマン。 サンデリン、T. ニールセン、JT; Erbs, G. MAMP (微生物関連分子パターン) は植物の免疫を引き起こしました。 正面。 植物科学。 2013、4、139。 [CrossRef] [PubMed]
8. 崔、H. 津田和也 Parker, J. エフェクター誘発免疫: 病原体認識から堅牢な防御まで。 アンヌ。 Rev. Plant Biol. 2015、66、487–511。 [相互参照]
9. ダベイ、M. ヴェレス、H. ブロバーグ、M. ジェンセン、DF。 Karlsson, M. Clonostachys Rosea LysM タンパク質は、真菌の発生を調節し、菌糸の保護と生物的防除形質に貢献します。 正面。 微生物。 2020、11、679. [CrossRef] [PubMed]
10. ビュイスト、G. スティーン、A. コック、Ｊ． Kuipers、OP LysM、(ペプチド)グリカンに結合するための広く分布するタンパク質モチーフ。 モル。 微生物。 2008、68、838–847。 [相互参照]
11. Dworkin, J. 真菌および細菌の炭水化物の検出: キチンとペプチドグリカンの類似した構造は免疫機能不全に関与していますか? PLoS 病巣。 2018、14、e1007271。 [相互参照] [PubMed]
12. オイ、V。 ヴオン、T. ハーディ、R. リードラー、J. ダングル、J. ヘルツェンバーグ、L. Stryer, L. Bacillus ファージ phi 29 遺伝子 14 および 15 のヌクレオチド配列: 遺伝子 15 と他のファージ リゾチームとの相同性。 核酸研究所 1986、14、10001–10008。
13.デ・ウィット、PJ; メラビ、R. ハノイ州ヴァンデンバーグ。 Stergiopoulos, I. 真菌エフェクタータンパク質: 過去、現在、未来。 モル。 植物パソル。 2009、10、735–747。 [相互参照] [PubMed]
14. 張、XC; キャノン、SB; Stacey, G. 陸上植物における LysM 遺伝子の進化的ゲノミクス。 BMCエボリューション バイオル。 2009、9、183。[相互参照]
15. 張、XC; キャノン、SB; Stacey, G. 植物におけるリシンモチーフ型受容体様キナーゼの分子進化。 植物生理学。 2007、144、623–636。 [相互参照]
ミヤ、A。 アルバート、P. Shinya, T. デサキ、Y. 市村和也； シラス、Ｋ． 成坂裕也； 川上直也； カク、H. 渋谷 N. LysM 受容体キナーゼである CERK1 は、シロイヌナズナのキチンエリシターシグナル伝達に必須です。 手順 国立 アカド。 科学。 米国 2007、104、19613 ～ 19618。 [相互参照]
清水達也；17． 中野 哲也; 高見沢大将； デサキ、Y. 石井南、N. 西沢裕也； ミナミ、Ｅ． 岡田和也; 山根 宏； カク、H. 他。 2 つの LysM 受容体分子、CEBiP と OsCERK1 は、イネのキチンエリシターシグナル伝達を協力して制御します。 Plant J. 2010、64、204–214。 [相互参照]
18. ワン、J. 張、XC; ニース、D. ラモネル、ケンタッキー州。 クラフ、S. キム、SY; ステイシー、MG; Stacey, G. LysM 受容体様キナーゼは、シロイヌナズナのキチンシグナル伝達と真菌耐性において重要な役割を果たしています。 植物細胞 2008、20、471–481。 [相互参照]
飯笹英、19． ミツトミ、M. Nagano, Y. 植物 LysM 受容体様キナーゼ、LysM RLK1/CERK1 の in vitro でのキチンへの直接結合。 Ｊ．Ｂｉｏｌ． 化学。 2010、285、2996–3004。 [相互参照] [PubMed]
20. ブロットマン、Y. アメリカ、ランダウ。 プニーニ、S. ライセック、J. バラザデ、S. ミュラー・ローバー、B. ジルベルスタイン、A. ウィルミッツァー、L. チェット、I。 Viterbo, A. LysM 受容体様キナーゼ LysM RLK1 は、シロイヌナズナ植物における真菌キチナーゼの過剰発現によって誘導される防御および非生物的ストレス応答を活性化するのに必要です。 モル。 プラント 2012、5、1113–1124。 [相互参照]
21. チェン、L. 浜田、S. 藤原正史； 朱、T。 タオ、NP; ウォン、HL; クリシュナ、P. 上田 哲也 川崎哲也； Shimamoto, K. Hop/Sti1-Hsp90 シャペロン複合体は、イネの自然免疫における PAMP 受容体の成熟と輸送を促進します。 細胞宿主微生物 2010、7、185–196。 [相互参照] [PubMed]
赤松明；22． ウォン、HL; 藤原正史； 奥田、J. 西田和也； 宇野、Ｋ． 今井和也; 梅村和也； 川野裕也； Shimamoto, K. OsCEBiP/OsCERK1-OsRacGEF1-OsRac1 モジュールは、キチン誘導イネ免疫の必須の初期コンポーネントです。 細胞宿主微生物 2013、13、465–476。 [相互参照]
23. Shinya, T. 山口和也; デサキ、Y. 山田和也； 成沢哲也; 小林裕也； 前田和也； 鈴木真也； 谷本哲也 Takeda, J. シロイヌナズナ受容体様細胞質キナーゼ PBL27 によるキチン誘発防御反応の選択的制御。 Plant J. 2014、79、56–66。 [相互参照] [PubMed]
24. 山口和也; 山田和也； 石川和也; 吉村真司； 林直樹； 内橋和也； 石浜直樹； 岸カボシ、M. 高橋 明; Tsuge, S. 植物病原体エフェクターの標的となる受容体様細胞質キナーゼは、キチン受容体によって直接リン酸化され、イネの免疫を媒介します。 細胞宿主微生物 2013、13、347–357。 [相互参照]
For more information:1950477648nn@gmail.com
