Als je bruine vlekken ziet op verder gezonde groene bladeren, je bent misschien getuige van de immuunrespons van een plant terwijl deze probeert te voorkomen dat een bacteriële infectie zich verspreidt. Sommige planten zijn beter bestand tegen dergelijke infecties dan andere, en plantenbiologen willen begrijpen waarom. Wetenschappers van het Salk Institute die een plantaardig eiwit met de naam SOBER1 bestuderen, hebben onlangs een mechanisme ontdekt waarmee, niet intuïtief, planten lijken zichzelf minder resistent te maken tegen infecties.

Het werk, die verscheen in Natuurcommunicatie op 19 dec. 2017, werpt licht op plantresistentie in het algemeen en zou kunnen leiden tot strategieën om de natuurlijke immuniteit van planten te versterken of om infecties die een volledig landbouwgewas dreigen te vernietigen, beter in te dammen.

"Er zijn veel verliezen in gewasopbrengsten door bacteriën die planten doden, ", zegt senior auteur Joanne Chory van de krant, een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute, directeur van Salk's Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory en in 2018 ontvanger van de Breakthrough Prize in Life Sciences. "Met dit werk we wilden het onderliggende mechanisme begrijpen van hoe resistentie werkt, en om te zien hoe algemeen het is."

Een van de manieren waarop planten bacteriële infecties bestrijden, is door hun eigen cellen te doden waarin bacteriële eiwitten worden gedetecteerd. Maar sommige bacteriën hebben een tegenstrategie ontwikkeld:ze injecteren speciale eiwitten die de immuunrespons van de plant onderdrukken door kleine, het uitschakelen van chemische tags, acetylgroepen genaamd, voor immuunmoleculen. Dit proces wordt acetylering genoemd. Wat ervoor zorgt dat bepaalde planten deze bacteriële tegenmaatregelen kunnen weerstaan, terwijl andere aan infectie bezwijken, blijft onduidelijk.

Om dergelijke interacties tussen pathogenen en planten beter te begrijpen, Chory's team wendde zich tot de goed bestudeerde wiet Arabidopsis thaliana en, vooral, een enzym genaamd SOBER1 - waarvan eerder was gemeld dat het de immuunrespons van het onkruid op een bacterieel eiwit dat bekend staat als AvrBsT onderdrukt. Hoewel het contra-intuïtief lijkt om immuunsuppressie te gebruiken om infectieresistentie te bestuderen, de Salk-biologen dachten dat dit nuttige informatie zou kunnen opleveren.

De onderzoekers begonnen met het bepalen van de aminozuursequentie van SOBER1 - de specifieke volgorde van bouwstenen die een eiwit zijn basisidentiteit geeft. Intrigerend, ze ontdekten dat het erg leek op een aan kanker gerelateerd menselijk enzym. Dit enzym bevat een karakteristieke tunnel waarin eiwitten met bepaalde soorten modificaties kunnen passen en worden gesneden als onderdeel van de enzymatische reactie. Het blijkt dat SOBER1 kan worden geclassificeerd als onderdeel van een enorme eiwitsuperfamilie die bekend staat als alfa/bèta-hydrolasen. Deze enzymen delen een gemeenschappelijke kernstructuur, maar zijn zeer flexibel in de chemische reacties die ze katalyseren, die variëren van de afbraak van vet tot de ontgifting van chemicaliën die peroxiden worden genoemd.

Volgende, ze gebruikten een meer dan 100 jaar oude techniek genaamd röntgenkristallografie om de driedimensionale structuur van SOBER1 te bepalen. Hoewel vergelijkbaar met het menselijke enzym, De tunnel van het plantenenzym had twee extra aminozuren die van boven naar beneden staken:één bij de ingang en één in het midden.

"Toen we die zagen, we realiseerden ons dat ze een dramatisch effect moesten hebben op de functie omdat ze in feite de tunnel blokkeren, ", zegt Salk-onderzoeksmedewerker en co-eerste auteur Marco Bürger.

Om te ontdekken wat het doel zou kunnen zijn, Bürger en co-eerste auteur Björn Willige, ook een onderzoeksmedewerker, gebruikte substraten (moleculen waar enzymen op inwerken) met verschillende lengtes en biochemisch getest hoe goed ze in het enzym passen en of ze konden worden gesneden. Alleen bepaalde typen pasten en werden gesneden - zeer korte acetylgroepen. Dit suggereerde dat SOBER1 een deacetylase is - een klasse enzym die acetylgroepen verwijdert. Verder, het team muteerde SOBER1 en opende zo de geblokkeerde tunnel. Met deze verandering, Bürger en Willige ontwikkelden een enzym dat zijn sterke specificiteit voor korte acetylgroepen verloor en in plaats daarvan de voorkeur gaf aan langere substraten.

"Voor de eerste biochemische experimenten, we gebruikten gevestigde, kunstmatige substraten, " zegt Willige. "Maar daarna wilden we zien wat er in planten zou gebeuren."

Voor deze, ze gebruikten tabaksplanten - die grote bladeren hebben die gemakkelijk te bewerken zijn - en een bacterie die AvrBsT maakt, waarvan bekend is dat het acetylering veroorzaakt. Ze produceerden AvrBsT in verschillende regio's van tabaksbladeren, samen met SOBER1 en verschillende gemuteerde (en dus niet-functionele) versies van het enzym.

Bladeren die AvrBsT produceren, hadden bruine vlekken van dood weefsel, wat aangeeft dat AvrBsT een celdoodprogramma had gestart om de systemische verspreiding van de ziekteverwekker in te perken. Bladeren die samen met SOBER1 AvrBsT produceerden, zagen er gezond uit, wat aangeeft dat SOBER1 de actie van AvrBsT heeft omgekeerd. Opvallend, gemuteerde SOBER1-versies met een geopende tunnel konden niet voorkomen dat het weefsel afsterft. Van dit, de onderzoekers concludeerden dat deacetylering de onderliggende chemische reactie moet zijn die leidt tot onderdrukking van de immuunrespons van de plant.

De tabakstests ondersteunden het idee dat SOBER1 een deacetylase is dat de door bacteriële eiwitten toegevoegde acetylgroepen zou verwijderen. Zonder de acetylgroepen die eiwitten taggen, de plant herkende ze niet als vreemd en veroorzaakte dus geen celdodende immuunrespons. De bladeren zagen er gezonder uit omdat de cellen niet dood gingen.

"De functie van SOBER1 is verrassend omdat het geïnfecteerd weefsel in leven houdt, die de plant in gevaar brengt, " zegt Chory, die ook de Howard H. en Maryam R. Newman Chair in Plant Biology in Salk bekleedt. "Maar we beginnen dit soort mechanismen nog maar net te begrijpen, en er kunnen heel goed omstandigheden zijn waarin de acties van SOBER1 gunstig zijn."

Verdere tests toonden aan dat de activiteit en functie van SOBER1 niet beperkt is tot het onkruid Arabidopsis thaliana, maar bestaat ook in een plant genaamd koolzaad, wat aantoont dat de bevindingen van Chory's laboratorium kunnen worden toegepast op landbouwgewassen en biobrandstofbronnen.

Bürger en Willige willen vervolgens beginnen met het screenen op chemische remmers die SOBER1 kunnen blokkeren. daardoor kunnen planten een volledige immuunrespons hebben op pathogene bacteriën.