Cell：揭示植物对自身细胞进行重编程来对抗病原体入侵机制

在战争时期，工厂重新调整以支持战斗的需要。装配线改变了方向，从生产汽车零件到机枪，或从制造洗衣机到飞机引擎。根据美国杜克大学教授Xinnian Dong的说法，植物也可以从和平时期转向战时生产。农作物和其他植物经常受到细菌、病毒和其他病原体的攻击。当植物感觉到微生物的入侵时，它们的细胞内的蛋白混合物会发生根本性的变化。

近年来，Dong和她的团队一直在确定它们是如何做到这一点的。在一项新的研究中，Dong和论文第一作者Jinlong Wang揭示了植物细胞中的关键成分对这些细胞中的蛋白制造机制进行重编程以对抗疾病。相关研究结果发表在2022年8月18日的Cell期刊上，论文标题为“PABP/purine-rich motif as an initiation module for cap-independent translation in pattern-triggered immunity”。

每年，大约15%的作物产量因细菌和真菌疾病而损失，使全球经济损失约2200亿美元。Dong说，植物依靠其免疫系统来帮助它们进行反击。与动物不同，植物没有专门的免疫细胞可以通过血液到达感染部位；植物中的每一个细胞都必须能够站出来进行战斗以保护自己，迅速进入战斗模式。

当植物受到攻击时，它们会将优先事项从生长转向防御，因此细胞开始合成新的蛋白并抑制其他蛋白的生产。Dong说，随后“在两到三小时内，事情就会恢复正常”。

细胞中数以万计的蛋白发挥着很多作用：催化反应，作为化学信使，识别外来物质，将物质移入和移出。为了制造一种特定的蛋白，包装在细胞核内的DNA中的遗传指令被转录成一种叫做mRNA的信使分子。这条mRNA链然后进入细胞质，在那里称为核糖体的细胞器“读取”信息并将它翻译成蛋白。

在2017年的一项研究中，Dong和她的团队已发现，当植物被感染时，某些mRNA分子被翻译成蛋白的速度比其他mRNA分子快（Nature, 2017, doi:10.1038/nature22372）。他们发现，这些mRNA分子的共同点是在RNA链的前端有一个区域，其遗传密码中有重复出现的碱基腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.06.037。

在这项新的研究中，Dong、Wang及其同事们展示了这一区域如何与细胞内的其他结构一起发挥作用，以激活“战时”的蛋白生产。他们发现，当植物检测到病原体攻击时，为核糖体登陆和读取mRNA提供信号的分子路标被移除，这使细胞无法制造典型的“和平时期”蛋白。相反，核糖体绕过通常的翻译起点，使用RNA分子内A和G反复出现的区域进行停靠，并从那里开始读取。Dong说，“它们基本上走了一条捷径。”

Dong说，对于植物来说，对抗感染是一种平衡行为。将更多的资源分配给防御意味着可用于光合作用和其他生命活动的资源减少。产生过多的防御蛋白会造成附带损害：免疫系统过度活跃的植物会出现生长迟缓。

Dong说，通过了解植物如何取得这种平衡，科学家们希望找到新的方法来培育抗病作物而不影响产量。

Don团队在一种叫做拟南芥的芥菜类植物中做了大部分实验。Dong说，不过类似的mRNA序列已经在包括果蝇、小鼠和人类在内的其他生物中被发现，因此它们可能在控制植物和动物的蛋白合成方面发挥更广泛的作用。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jinlong Wang et al. PABP/purine-rich motif as an initiation module for cap-independent translation in pattern-triggered immunity. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.06.037.