Οι φυτικές ανοσοποιητικές πρωτεΐνες πυροδοτούν τον κυτταρικό θάνατο

[Eiriini]

Τα φυτικά κύτταρα αυτοκαταστρέφονται όταν δέχονται επίθεση, την ώρα που προσπαθούν να επιβιώσουν. Αφού ανιχνεύσουν ένα παθογόνο, πυροδοτούν μια αλυσιδωτή αντίδραση που τελικά τους καταστρέφει, εμποδίζοντας την εξάπλωση της ασθένειας.

Τώρα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν τον μηχανισμό πίσω από αυτή την αυτοκαταστροφή. Οι φυτικές αμυντικές πρωτεΐνες συγκεντρώνονται για να τρυπήσουν την κυτταρική μεμβράνη , ανοίγοντας ένα κανάλι στο μολυσμένο κύτταρο . Στη συνέχεια, το ασβέστιο πλημμυρίζει, σκοτώνοντας τελικά το κύτταρο, αναφέρει ο ερευνητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes, Jeffery Dangl και η ομάδα του, στις 17 Ιουνίου 2021, στο περιοδικό Science .

Οι επιστήμονες γνωρίζουν από καιρό ότι τέτοιος κυτταρικός θάνατος που προκαλείται από παθογόνο συμβαίνει στα φυτά. Και οι αμυντικές πρωτεΐνες εντοπίστηκαν για πρώτη φορά στα μέσα της δεκαετίας του 1990. «Αλλά κανείς δεν ήξερε πώς λειτουργούσαν για τον έλεγχο του κυτταρικού θανάτου και των ανοσολογικών αποκρίσεων», λέει ο Dangl, φυτοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill. «Τώρα, ξέρουμε ότι όλοι λειτουργούν μέσα από ένα είδος καναλιού που δεν έχει ξαναδεί».

Τα ευρήματα ευθυγραμμίζονται με μια πρόσφατη μελέτη στο Cell, η οποία ανέφερε παρόμοιο αποτέλεσμα σε διαφορετική κατηγορία φυτικών ανοσοποιητικών πρωτεϊνών . Επειδή αυτή η οικογένεια πρωτεϊνών βρίσκεται στα περισσότερα φυτά της γης, ο μηχανισμός πιθανότατα ισχύει σε ολόκληρο το φυτικό βασίλειο, προτείνει ο Dangl.

«Πρόκειται για μια βαθιά σημαντική πρόοδο», λέει ο Jonathan Jones, φυτοανοσολόγος στο The Sainsbury Laboratory στο Norwich της Αγγλίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. «Λαμβάνουμε δύο παράλληλες ιστορίες με συμπληρωματικά αποτελέσματα που δείχνουν το ίδιο πράγμα».

Οι πρωτεΐνες που μελέτησε η ομάδα του Dangl, που ονομάζονται NLRs, ανιχνεύουν συγκεκριμένα μόρια παθογόνων. Τα περισσότερα φυτά φέρουν γονίδια για εκατοντάδες NLR. Πριν από μερικά χρόνια, ο Dangl βρήκε ένα έγγραφο που αναφέρει ένα ενδιαφέρον φαινόμενο σε ένα είδος από αυτές τις πρωτεΐνες. Συγκεντρώθηκαν και κινήθηκαν προς την κυτταρική μεμβράνη - μια συμπεριφορά που παρατηρείται συχνά σε πρωτεΐνες που δημιουργούν κανάλια μεμβράνης. Ο Dangl και η ομάδα του αναρωτήθηκαν εάν κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να συμβεί με τις πρωτεΐνες NLR που μελέτησε το εργαστήριό του και εάν θα μπορούσε να σχετίζεται με την οδό κυτταρικού θανάτου.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για να τραβήξουν λεπτομερείς φωτογραφίες της δομής αυτής της πρωτεΐνης NLR . Στη συνέχεια, έκαναν στοχευμένες μεταλλάξεις στην πρωτεΐνη, για να δουν πώς οι αλλαγές σε διάφορα σημεία επηρέασαν τη λειτουργία της.

Δοκιμάζοντας πώς συμπεριφέρονταν διαφορετικές εκδόσεις της πρωτεΐνης στα κύτταρα και στα πιάτα εργαστηρίου, οι ερευνητές συνέθεσαν μια εικόνα του τρόπου δράσης της. Αυτή η εικόνα μοιάζει κάπως έτσι: Παρουσία ενός παθογόνου, οι πρωτεΐνες NLR συγχωνεύονται σε μια μεγα-πρωτεΐνη. Στη συνέχεια, μέρος της πρωτεΐνης σχηματίζει μια δομή που μοιάζει με χοάνη που εισχωρεί στη μεμβράνη ενός μολυσμένου κυττάρου. Αυτό δημιουργεί ένα κανάλι που αφήνει το ασβέστιο στο κύτταρο. Επειδή τα υψηλά επίπεδα ασβεστίου είναι τοξικά, μια εισροή μπορεί να σημαίνει θάνατο για το κύτταρο.

Σε ένα άλλο πείραμα, η ομάδα κατασκεύασε ανθρώπινα κύτταρα ώστε να περιέχουν μια πρωτεΐνη NLR. Τα ανθρώπινα κύτταρα δεν έχουν άλλα μέρη του ανοσοποιητικού συστήματος των φυτών. Αλλά μόνο η ύπαρξη μιας ενεργής πρωτεΐνης NLR ήταν αρκετή για να αφήσει το ασβέστιο και να σκοτώσει τα κύτταρα, έδειξαν οι ερευνητές. Αυτό υποδηλώνει ότι η πρωτεΐνη είναι η κινητήρια δύναμη πίσω από την αύξηση του ασβεστίου.

Στη συνέχεια, η ομάδα διερευνά εάν το ασβέστιο σκοτώνει τα φυτικά κύτταρα άμεσα ή αν ενεργοποιεί άλλα αμυντικά μονοπάτια που οδηγούν σε κυτταρικό θάνατο . Η δημιουργία αυτών των μονοπατιών δίνει στους επιστήμονες μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα φυτά προστατεύονται, λέει ο Dangl, και αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση του σχεδιασμού των ανθεκτικών στις ασθένειες καλλιεργειών.