中国农大彭友良《Plant Cell》发表植物病理学新成果
2014年3月18日，中国农业大学植物病理学系彭友良教授课题组与美国普渡大学的研究人员，在《Plant Cell》杂志上发表的一项研究表明，α-1,3-甘露糖转移酶介导的Slp1蛋白N-糖基化作用，对于稻瘟病菌逃避宿主的先天免疫至关重要。
本文的通讯作者彭友良教授为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，主要从事植物分子病理学的科研和教学工作，由于在科研、教学等方面成绩突出，先后获得了教育部霍英东青年教师基金、“优秀跨世纪人才计划”基金及优秀年轻教师基金，国家杰出青年科学基金，农业部级有突出贡献的中青年专家、人事部有突出贡献的中青年专家等称号，并入选“百千万人才工程”和教育部长江奖励计划特聘教授。该研究受到科技部973项目、长江学者计划、创新研究团队计划以及教育部111计划的资助。
植物利用模式识别受体(pattern recognition receptors)来保护自己不受微生物的攻击，模式识别受体通过识别病原体相关的分子模式(PAMPs)，来启动先天免疫反应。免疫反应包括受调节的活性氧(ROS)合成，这可由细胞壁PAMPs的识别诱导，例如，入侵的病原体可在感染期间释放几丁质和葡聚糖产生的寡糖。在响应这些防御的过程中，植物病原体已经发展出一定的策略，来避免或克服PAMP触发的免疫功能。入侵真菌最重要的结构是细胞壁外层，通过这种外层，病原真菌可以避免内部几丁质和葡聚糖的寄主识别。病原菌也能通过效应蛋白对这些免疫反应的抑制，来反击PAMP触发的免疫机制，从而引起效应蛋白触发的敏感性。
分泌性蛋白(secreted protein)，包括细胞壁糖蛋白和效应蛋白，都是在内质网(ER)中合成，在那里它们经常发生N-糖基化和/或O-糖基化。N连接的蛋白质糖基化，是在酶的控制下，蛋白质或脂质附加上糖类的过程。在糖基转移酶作用下将糖转移至蛋白质，和蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键。蛋白质经过糖基化作用，形成糖蛋白。糖基化是对蛋白重要的修饰作用，有调节蛋白质功能的作用。
在高等真核生物中，N-连接的蛋白质糖基化已经被广泛研究。例如在哺乳动物中，N糖基化参与细胞粘附、分子运输和清除、受体激活、信号转导和内吞作用，对人体健康和疾病非常的重要。在较高等的植物中，研究人员已经广泛确认了参与蛋白质N糖基化的酶，并发现其在植物发育和生理的多个方面起重要作用。
真核细胞中的蛋白质N-糖基化，是在两种不同的细胞器内完成，分别为内质网和高尔基体，首先参与N-聚糖的生物合成。N-聚糖的生物合成，从一种 Man5-GlcNAc2蛋白的聚集开始，这种蛋白与ER胞质一侧的多萜醇磷酸酯(dolicholphosphate)连接在一起。这种蛋白翻转到ER 腔的一侧，不同的糖基转移酶会逐步地将4个Man和3个Glc残基添加到这个部位。然后，寡糖转移酶复合物将寡糖Glc3Man9GlcNAc2糖基全体转移到分泌性蛋白的特定Asn残基上。一旦糖蛋白发生折叠和寡聚体化，它们就被转移到高尔基复合物中，进行进一步的N连接聚糖修饰。
芽殖酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiaehas)已被用作研究真核细胞N-聚糖合成的模型。利用缺陷突变体对N-聚糖生物合成的研究，已经描述了ASPARAGINE- LINKED GLYCOSYLATION(ALG)基因的特性。例如，酵母alg突变体，在供体基底的生物合成或脂质相关的低聚糖装配方面存在缺陷，研究人员利用其来探究N-糖基化的功能。将参与N-糖基化最早步骤的一些ALG删除，可导致致命的或极其严重的表型和低糖基化蛋白质分泌，从而表明N-连接的糖基化具有重要的生物学意义。在白色念珠菌(Candida albicans)中，N-糖基化对于在细胞-细胞互动、粘附和宿主免疫应答反应中起关键作用的某些蛋白结构和功能非常重要。
然而，N-糖基化在丝状真菌的致病机理中所起的作用，基本上还是未知的。到目前为止，只有三项针对玉米黑粉菌(Ustilago maydis)和叶枯菌(Mycosphaerella graminicola)中糖基化相关突变体的报道，认为N-糖基化与植物病原真菌的发病机理有关。然而，这些研究并没有描述其背后的根本机制，因此，为何N-糖基化对于真菌发病机制如此重要，仍然还不清楚。
水稻枯萎病，由丝状真菌稻瘟菌(Magnaporthe oryzaeand)引起，是全球最具破坏性的一种栽培稻病害。病原真菌通过分生孢子附着到植物表面而引发感染。然后，分生孢子萌芽，发芽管顶端发育成一个圆顶形结构，称为附着胞(appressorium)，在附着胞中产生了高膨压。分裂素激活的蛋白激酶和cAMP依赖性蛋白激酶A信号通路，对于附着胞的形态形成和渗透都是必不可少的。在渗透后，病原菌以活体营养的方式占据宿主细胞，稀薄的主要渗透菌丝会分化成球根状和分枝状感染菌丝(infection hyphae，IH)。IH具有一个帽状结构，称为活体营养界面复合物，其参与胞质效应蛋白到植物细胞的释放过程。最近，有研究证明，一种分泌性LysM 蛋白(Slp1)，在稻瘟病中发挥效应蛋白的功能，通过在质外体中结合几丁质寡糖抑制宿主免疫力，从而阻止几丁质诱导子结合蛋白(CEBiP)的激活作用。
在这项研究中，研究人员发现，ALG3介导的效应蛋白Slp1的N-糖基化，对于其在稻瘟病菌中的活性至关重要。ALG3编码一个α-1,3-甘露糖转移酶用于蛋白质N-糖基化。删除ALG3可抑制菌丝的继发感染，并显著降低毒性。研究人员观察到，Δalg3突变体可在宿主细胞内诱导活性氧的大规模生产，其方式与Δslp1突变体类似，这是抑制突变体感染菌丝的一个关键因素。Slp1会隔离几丁质寡糖，来避免被水稻几丁质诱导子结合蛋白CEBiP的识别和先天免疫反应的诱导，包括活性氧生产。
这项研究指出，Slp1有三个N-糖基化位点，同时Alg3介导的每个位点的N-糖基化作用，是保持蛋白质稳定性和Slp1几丁质结合活性所必不可少的，这对于其效应蛋白的功能非常关键。这些结果表明，Alg3介导的Slp1蛋白N-糖基化作用，对于稻瘟病菌逃避宿主的先天免疫至关重要。
