Фактори вірулентності цільові prot; ines cl; s з l; інтерактом l; h; ви

Анн-Руксандра Карвуніс 1, 2 * та Матія Дрезе 1, 2

Ключові слова MeSH: Бактеріальні білки, фізіологія, Взаємодія хазяїн-збудник, Біологічні моделі, Рослинні клітини, Мікробіологія, Хвороби рослин, Імунологія, Рослинні білки, Рослини, Вірулентність

Рослини відіграють центральну роль у більшості екосистем завдяки своїй здатності перетворювати сонячну енергію в «біологічну». Єдиним джерелом газоподібного кисню на землі, рослини також є основним джерелом їжі для людей і забезпечують викопне паливо та текстильні волокна. Щоб відповісти на сучасні та майбутні агрономічні та екологічні виклики, важливо набути поглиблених знань про механізми, що контролюють біохімічні та молекулярні процеси, особливо в рослинах. З цією метою нас особливо цікавила взаємодія між рослинами та фітопатогенами на молекулярному рівні. На додаток до очевидних агрономічних та екологічних перспектив, наша робота свідчить про існування універсальних принципів, що регулюють організацію імунної системи під час взаємодії господар-збудник.

Двадцять років базових досліджень із використанням дамського краба (Arabidopsis thaliana) як модельного організму призвели до концепції, яка отримала назву зигзаг, що описує динамічні взаємодії між рослинними клітинами та патогенами рослин на молекулярному рівні [1]. Виявлення «несамостійних» молекул мембранними рецепторами викликає загальну першу лінію захисту, «зиг». Однак багато патогенні мікроорганізми здатні вводити в рослинні клітини молекулярні ефектори, які, послаблюючи дію зигу, збільшують сприйнятливість до інфекції: "заг". У відповідь внутрішньоклітинні рецептори, здається, здатні розпізнати "модифіковане Я" і викликати другу хвилю імунного захисту, другу зиг. Ступінь стійкості рослин до збудників хвороб залежить від величини цих двох ліній захисту, а також від інтенсивності нападу.

Незважаючи на свою елегантність, зигзагоподібний візерунок базується на припущеннях, які здебільшого не були послідовно продемонстровані. Зокрема, ідентичність гравців імунної системи залишається в основному невідомою, крім певних груп білків (переважно рецепторів). Крім того, фізичні взаємодії, які білки імунітету встановлюють між собою та з патогенними ефекторами, мало вивчені.

Сьогодні очевидно, що фізичні взаємодії між білками утворюють складні та високодинамічні мережі (інтерактоми), які лежать в основі відносин генотип-фенотип [2]. Експериментальний опис цих мереж (картографування) є важливим для всебічного розуміння біологічних систем - таких як імунітет - та відповідних молекулярних механізмів. Створення інтерактомічних карт дало багато ресурсів для нерослинних видів. Незважаючи на велику кількість молекулярних та генетичних знань, існує горезвісна відсутність експериментальних даних, що описують взаємодію між білками для дам Арабет (і не тільки між білками імунітету), а загалом для видів рослинного світу.

Тому ми побудували дві інтерактомічні карти для дам Арабет, використовуючи дріжджовий подвійний гібридний метод. Перший [3], встановлений шляхом систематичного тестування понад 35 мільйонів пар рослинних білків, виявив приблизно 6200 взаємодій між 2700 білками. Ми підрахували, що ця карта охоплює 2% всього інтерактому дамських арабет. Друга карта [4] зосереджена на імунній системі та її взаємодії з ефекторами двох фітопатогенів: грамнегативної бактерії Pseudomonas syringae (Psy) та ооміцету Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). Ця карта містить 3000 взаємодій між 900 білками, включаючи патогенні ефектори, білки, раніше відомі імунній системі, а також інші білки-хазяїни, які, як ми визначили, взаємодіють з будь-якою з цих груп. ) (Фігура 1). Сукупний аналіз цих двох карт дозволив нам висвітлити деякі фундаментальні принципи взаємовідносин хазяїн-збудник у дам Арабет.

Незалежно від цих складних фізіологічних механізмів, наука про мережі пропонує елегантне передбачення. У біологічних мережах невелика кількість компонентів, відомих як концентратори, створює багато зв’язків, тоді як більшість інших компонентів створюють мало. В результаті структура цих мереж є надійною і протистоїть випадковим відмовам її компонентів, але вона, на відміну від цього, дуже чутлива до атак, спрямованих на хаби [6]. Отже, мережева наука та молекулярна механістика об'єднуються у захоплюючому питанні про взаємодію з господарем-патогеном, передбачаючи, що патогени можуть максимізувати свою вірулентність, націлюючись на концентратори (Рисунок 1).

Наші експерименти з інтерактомічного картографування підтверджують, що ефектори збудників переважно взаємодіють з білками-господарями, які є центрами. Ми також експериментально протестували імунну відповідь рослин мушмутованих крабет для 16 центрів, які взаємодіють з ефекторами Hpa та Psy. Дев'ять із цих мутантів значно більш сприйнятливі до зараження, ніж дика рослина, а сім - більш стійкі. Також було перевірено сім випадково відібраних мутантів, і жоден з них не виявляв імунного фенотипу.

Наша робота показує, що ефектори двох патогенних мікроорганізмів, розділені мільярдом років еволюції, націлені на невелику кількість високозв’язаних білків в межах інтерактома. Це може бути стратегія вірулентності патогенів, орієнтована на ключові білки господаря, або навпаки, імунна стратегія господаря, яка використовує обмежену кількість білків для захисту від джерела різноманітності патогенів. Інші дослідження показали, що білки вірусних та бактеріальних патогенів також переважно взаємодіють з центрами мережі людських інтерактомів [7–10]. Однак питання їх зближення залишається невивченим. Наші дослідження на Арабет де Дам можуть виявити нові механізми інфекційних патологій у рослинництві, що матиме очевидний вплив на агрономічні дослідження, а також на медичні дослідження.