Germany
March 14, 2024
A new study published in the journal Nature shows that the same phenomenon that occurs when we try to mix oil and water – phase separation – plays an important role in the immune system of plants.
In a groundbreaking study, researchers led by Jijie Chai at Westlake University, China, Jane Parker and Paul Schulze-Lefert at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, Germany, have demonstrated that an important class of immune proteins must condense into droplets to become activated and protect plants against infections.
The scientists set out to discover how a class of plant immune receptors called Toll/Interleukin-1 receptor (TIR) nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) receptors (TNLs) are activated. TNLs are defined by the presence of a TIR domain, an ancient protein module that has roles in immunity from bacteria to mammals, but for activation they typically rely on additional domains that recognize molecules derived from invading pathogens. The TIR domain acts as an enzyme and consumes substrates in host cells that are important for energy metabolism. Activated TNLs often go on to trigger cell death at the site of attempted infection as a protective response to safeguard the entire plant. In addition to the typical TNLs, plants also have TNLs that lack those elements that recognize invaders, whilst retaining the ability to promote cell death and protect plants against infection. Although it was known that these truncated TNLs, known as TIR domain proteins, like to interact with each other when activated by their substrates and that, once activated, they function as enzymes to propagate the immune response, how precisely this happens has remained unknown. The researchers have now found that, as the concentrations of TIR domain proteins rise inside plant cells, they separate out like drops of oil in water – a typical feature of proteins that interact with each other – that trigger the immune-related cell death response. Further, these structures are not static with TIR domain proteins constantly moving in and out of the droplets.
Through the concentration and organization of enzyme assemblies, phase separation is an effective way to boost enzyme activity. Forming such condensates is common for animal immune proteins and, although it was known that the phenomenon was important for plant immune responses, it was unclear why.
Beyond the fundamental insight into how plant immune molecules are activated, the discovery of the phase separation-based mechanism for activation of TIR domain proteins may have implications for scientists’ understanding of how the different branches of plant immunity talk to each other. Co-corresponding author Schulze-Lefert is fascinated by the diversity of different assemblies of TIR domains in large protein complexes. “It is simply amazing how evolution has repeatedly found ways to endow the ancient TIR protein structure in plants, animals and bacteria with new biochemical qualities that are ultimately important for the robustness of an immune system.”
Original publication:
Substrate-induced condensation activates plant TIR domain proteins
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07183-9
DOI: 10.1038/s41586-024-07183-9
Wie minimalistische Moleküle des pflanzlichen Immunsystems aktiviert werden
Eine neue Studie, die jetzt in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Phasentrennung – ein Phänomen, welches auftritt, wenn man versucht Öl und Wasser zu mischen – auch im Immunsystem von Pflanzen eine wichtige Rolle spielt.
Eine Studie um Jijie Chai von der Westlake University, China, Jane Parker und Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, hat gezeigt, dass eine wichtige Gruppe von Immunproteinen sich in Tröpfchen kondensieren muss, um aktiviert zu werden und dadurch Pflanzen vor Infektionen mit mikrobiellen Krankheitserregern zu schützen.
Substrat-induzierte Tröpfchenbildung einer pflanzlichen TIR-Domäne in vitro. Das Arabidopsis-TIR-Domänenprotein RPP1 wurde mit dem fluoreszierenden Protein GFP verbunden, so dass die schnelle Tröpfchenbildung des RPP1-GFP-Fusionsproteins nach Zugabe der Substrate NAD+ oder ATP in einem Reagenzglas fluoreszenzmikroskopisch sichtbar gemacht werden kann. Die Tröpfchen sind hochdynamische Strukturen.
Die Forscher wollten herausfinden, wie eine Gruppe von pflanzlichen Immunrezeptoren, die so genannten Toll/Interleukin-1-Rezeptor (TIR)-Nukleotid-bindenden Leucin-reichen Repeat (NLR)-Rezeptoren (kurz TNLs), aktiviert werden. TNL Rezeptoren werden durch das Vorhandensein einer TIR-Domäne definiert, einer uralten Proteindomäne, die eine Rolle bei der Immunität von Bakterien bis hin zu Säugetieren spielt. Jedoch benötigen diese Rezeptoren in Pflanzen zur Aktivierung in der Regel zusätzliche Proteinbausteine, die Moleküle erkennen, die von Krankheitserregern in Pflanzenzellen eingeschleust werden. Die TIR-Domäne wirkt als Enzym und verbraucht in den Wirtszellen kleine Moleküle, Substrate, die für den Energiestoffwechsel wichtig sind.
Aktivierte TNLs lösen in der Regel den Zelltod von Pflanzenzellen am Ort der Infektion aus; eine Reaktion um die Pflanze als Ganzes zu schützen. Neben den typischen TNLs verfügen Pflanzen auch über TNLs, denen die Bausteine zur Erkennung von Krankheitserregern fehlen. Allerdings sind sie weiterhin in der Lage, den Zelltod auszulösen und Pflanzen vor Infektionen zu schützen.
Man wusste bereits, dass diese verkürzten (minimalistischen) TNLs, genannt TIR-Domänen-Proteine, miteinander assoziieren, wenn sie durch ihre Substrate aktiviert werden, und dass sie dann wie Enzyme wirken, um die Immunantwort zu verstärken. Aber wie genau das passiert, war bisher nicht bekannt.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass sich die TIR-Domänen-Proteine bei steigender Konzentration in den Pflanzenzellen wie Öltropfen im Wasser verteilen - ein typisches Merkmal von Proteinen, die sich untereinander vernetzen - und so die immunbedingte Zelltodreaktion auslösen. Außerdem sind diese Protein-Ensembles in Pflanzenzellen nicht statisch, da sich die TIR-Domänen-Proteine ständig in die Tröpfchen hinein und aus ihnen heraus bewegen.
Durch die Konzentration und Organisation von Enzymansammlungen ist die Phasentrennung ein wirksames Mittel zur Verfielfachung der TIR-Enzymaktivität. Obwohl bekannt war, dass dieses Phänomen für pflanzliche Immunreaktionen wichtig ist, war bisher unklar, warum.
Neben den grundlegenden Erkenntnissen darüber, wie pflanzliche Immunmoleküle aktiviert werden, könnte die Entdeckung des auf Phasentrennung beruhenden Mechanismus zur Aktivierung von TIR-Domänen-Proteinen Auswirkungen auf das Verständnis darüber haben, wie scheinbar voneinander getrennte molekulare Ebenen der Pflanzenimmunität miteinander kommunizieren.
Mitautor Schulze-Lefert ist fasziniert von der Vielfalt der verschiedenen Zusammensetzungen von TIR-Domänen in Proteinkomplexen.
"Es ist einfach erstaunlich, wie die Evolution immer wieder Wege gefunden hat, die uralte TIR-Proteinstruktur in Pflanzen, Tieren und Bakterien mit neuen biochemischen Eigenschaften auszustatten, die letztlich für die Robustheit des Immunsystems wichtig sind."
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