Фактори на вирулентност Целеви ключови протеини на Medieccience Host Interactome
Ан-Руксандра Карвунис 1, 2 * и Матия Дрезе 1, 2
1 Център за биология на раковите системи (CCSB) и Катедра по биология на рака, Институт за рака Dana-Farber, Бостън, Масачузетс 02215, САЩ
2 Катедра по генетика, Харвардско медицинско училище, Бостън, Масачузетс 02115, САЩ
Растенията играят централна роля в повечето екосистеми чрез способността им да превръщат слънчевата енергия в „биологична“ енергия. Единственият източник на газообразен кислород на земята, растенията са и основният източник на човешка храна и осигуряват изкопаеми горива и текстилни влакна. За да се отговори на настоящите и бъдещите агрономически и екологични предизвикателства, е от съществено значение да се придобият задълбочени познания за механизмите, контролиращи биохимичните и молекулярните процеси, открити специално в растенията. За тази цел ние се интересувахме особено от взаимодействията между растенията и фитопатогените на молекулярно ниво. В допълнение към очевидните агрономически и екологични перспективи, нашата работа предполага съществуването на универсални принципи, регулиращи организацията на имунната система по време на взаимодействие гостоприемник-патоген.
Взаимодействия между растения и фитопатогени: зигзагообразният модел
Двадесет години основни изследвания, използващи Arabette des dames (Arabidopsis thaliana) като моделен организъм доведоха до концепция, наречена зигзаг, описваща динамичните взаимодействия между растителни клетки и растителни патогени в молекулярен мащаб [1]. Откриването на „не-самостоятелни“ молекули от мембранните рецептори задейства обща първа отбранителна линия, „zig“. Въпреки това, много патогени са в състояние да инжектират в растителните клетки молекулярни ефектори, които, отслабвайки ефекта на зиг, увеличават податливостта към инфекция: "заг". В отговор вътреклетъчните рецептори изглежда са в състояние да разпознаят "модифицираното Аз" и да предизвикат втора вълна на имунна защита, втора зиг. Степента на устойчивост на растенията към патогени зависи от величината на тези две защитни линии, както и от интензивността на атаката.
Въпреки своята елегантност, зигзагообразният модел се основава на предположения, които в по-голямата си част не са били постоянно демонстрирани. По-специално, идентичността на играчите в имунната система остава до голяма степен неизвестна, с изключение на определени групи протеини (главно рецептори). В допълнение, физическите взаимодействия, които имунитетните протеини установяват помежду си и с патогенни ефектори, са малко проучени.
Интерактомичният подход
Днес е ясно, че физическите взаимодействия между протеините образуват сложни и силно динамични мрежи (интерактоми), които са в основата на взаимоотношенията генотип-фенотип [2]. Експерименталното описание на тези мрежи (картографиране) е от съществено значение за цялостното разбиране на биологичните системи - като имунитета - и съответните молекулни механизми. Създаването на интерактомични карти е предоставило богат ресурс за нерастителни видове. Въпреки изобилието от молекулярни и генетични познания, има прословута липса на експериментални данни, описващи взаимодействията между протеините за дамите Арабет (и не само между протеините на имунитета) и по-общо за видовете от растителния свят.
Интерактомичният подход, приложен към взаимодействията между растенията и фитопатогените
Поради това изградихме две интерактомични карти за дамите Арабет, използвайки метода на двойния хибрид с дрожди. Първият [3], установен чрез систематично тестване на повече от 35 милиона двойки растителни протеини, открива приблизително 6 200 взаимодействия между 2700 протеини. Смятаме, че тази карта обхваща 2% от пълния интерактом на дамската арабета. Втората карта [4] е фокусирана върху имунната система и нейните взаимодействия с ефекторите на два фитопатогена: Грам-отрицателните бактерии Pseudomonas syringae (Психически) и оомицет Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). Тази карта включва 3000 взаимодействия между 900 протеини, включително патогенни ефектори, протеини, известни по-рано на имунната система, както и други протеини гостоприемници, за които сме идентифицирали, че взаимодействат с някоя от тези групи. Протеини (и които следователно вероятно представляват нови играчи в имунитета ) (Фигура 1). Комбинираният анализ на тези две карти ни позволи да подчертаем някои основни принципи на взаимоотношенията гостоприемник и патоген при дамите Арабети.
Насочване хъбове (възли) на протеин-интерактома на гостоприемника по време на атака на патогена (тук Psy и Hpa).
Целеви атаки
Приемайки военна метафора за описване на взаимоотношенията с гостоприемници на патогени, патогенните ефектори биха участвали в целенасочени атаки (Фигура 1) срещу ключови протеини гостоприемници, за да се получи контрол върху клетката и да се отслабят нейните защитни сили. Въпреки че еволюционните теории и съвременните знания подкрепят този модел, той все още не е истински демонстриран. Нашите симулации прогнозират, че ако ефекторите осъществяват същия брой връзки, но с произволно избрани белтъци гостоприемници от първата карта, те ще взаимодействат средно с 320 белтъка гостоприемник, от които около 1% биха били общи за Hpa и Психически. В действителност, нашите експериментални резултати показват, че ефекторните протеини многократно са насочени само към 165 протеини гостоприемници, от които 10% споделяни от Hpa и Психически. Подобна степен на конвергенция от страна на два патогена, разделени от около милиард години еволюция, дава силен аргумент в полза на хипотезата за целенасочени атаки.