细胞内免疫受体NLRs是动植物先天免疫的核心组成成分。在动物中，NLRs通过组装炎症小体来激活caspase蛋白酶，进而切割活化促炎细胞因子，引发炎症反应。植物虽然不编码caspase蛋白酶，但拥有在结构和功能上与之类似的蛋白酶metacaspases (MCs)。然而，学界对MCs在植物免疫中的作用机制，及其与NLR信号通路互作与调控关系尚不明晰。
近日，中国科学院微生物研究所研究员叶健团队，首次揭示了在高等植物中，metacaspase 4（MC4）蛋白酶能够特异识别并精确切割Bcl-2-associated athanogene 3（BAG3），且切割过程诱导植物细胞程序性死亡，进而启动植物抗病毒免疫反应。这一发现深化了学界对动植物趋同免疫进化机制的理解，为培育具有抗病毒能力作物提供了新的分子靶点。
双生病毒作为植物病毒中种类最庞大的类群，可侵染番茄、棉花、玉米、大豆、木薯及小麦等重要粮食和经济作物，对粮食安全和生物安全构成持续威胁。研究团队发现，MC4在感知双生病毒侵染后，表达水平被显著诱导上调，MC4自激活后，介导BAG3蛋白在第122位精氨酸处发生切割，释放BAG3的N端功能结构域（BAG3-N），从而解除BAG3自抑制状态。进而BAG3-N发生多聚化，形成多聚体并定位至细胞膜，最终引发细胞死亡，从而有效抑制病毒复制与增殖。研究进一步发现，在茄科植物中，辅助型免疫受体NRC2和NRC3可同MC4-BAG3免疫模块发生互作，严谨调控植物胞内免疫。同时，在植物从低等类群向高等植物进化过程中，BAG3蛋白第50位氨基酸被逐渐选择稳定保留为对其多聚体化至关重要的赖氨酸，赋予了BAG3诱导细胞死亡的能力，成为其抗病毒功能的重要分子基础。另一方面，双生病毒中最保守的复制相关蛋白Rep可特异性结合BAG3-N，进而实现免疫逃逸，增强其在宿主细胞内的存活能力与感染进程。
该研究发现了高等植物中BAG3是衔接上游MCs激活与下游抗病毒防御的保守免疫调控因子，为抗病作物分子设计与培育提供了新策略和新的分子靶标。
相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院的支持。
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MC4-BAG3调控植物抗病毒免疫机制
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