植物如何避免自體免疫反應？

 

水稻。圖片來源：維基百科

動物有免疫系統，而動物的免疫系統設置了一些防止發生自體免疫反應的方法；植物的免疫系統是否也有防止植物發生自體免疫反應的方法呢？

最近對水稻免疫的研究，有了一些有趣的發現。

這次我們的主角是一個稱為OsCERK1的受體激酶（receptor kinase）。說它是受體激酶，意味著這個分子可以偵測到某些分子（在這裡是真菌的幾丁質與細菌的肽聚糖），然後去磷酸化下游的分子，啟動（防禦）反應。

研究團隊發現，水稻裡還有另一個分子，稱為OsCIE1。OsCIE1會泛素化（ubiquitination）OsCERK1，讓OsCERK1的激酶活性下降。

而OsCIE1主要發揮功能的時機，就是在沒有病原體（真菌或細菌）入侵的時候。這時候的OsCIE1會經由泛素化OsCERK1，讓OsCERK1不會去磷酸化別人，造成自體免疫反應。

研究團隊怎麼會找到OsCIE1的呢？原來他們是利用免疫沉澱發現OsCIE1會跟OsCERK1發生互動。進一步使用酵母雙雜交試驗，也確認了它們之間的關係。

但是，不論是免疫沉澱或酵母雙雜交試驗，都是活體外的測試，與活體的情況還是有所不同。於是，研究團隊生成了OsCIE1突變株，結果少了這個基因的水稻，出現了過度的免疫反應：氧化還原反應增強、抗病能力提升。另外，這個突變株的MAPK（位於OsCERK1下游的激酶）在沒有幾丁質處理的狀況下有活化的現象，說明了OsCIE1的確會抑制這條防禦路徑。

序列分析發現OsCIE1是一個泛素連接酶，也就是說，它會把泛素（ubiquitin）這個小小的蛋白質連接到其他的蛋白質上面。

所以，OsCIE1會不會泛素化OsCERK1呢？研究團隊利用了體外泛素化試驗，初步證明了OsCIE1的確會泛素化OsCERK1，然後，讓水稻表現更多的OsCIE1後，發現OsCERK1的泛素化增加了。

許多蛋白質在被泛素化之後，都會被送到26S蛋白質體去分解。那麼OsCERK1被泛素化之後會不會被分解呢？

答案是：不會。研究團隊用環己醯亞胺（cycloheximide）來抑制蛋白質的合成，看看OsCERK1會不會減少。結果發現OsCERK1的半衰期沒有什麼明顯的變化，顯示OsCERK1被泛素化之後並不會被快速分解掉。

如果沒有被分解，泛素化對蛋白質的另一個影響就是讓蛋白質失去活性。於是研究團隊看看到底OsCERK1的受質OsRLCK185有沒有什麼變化。結果發現，當OsCERK1被泛素化之後，OsRLCK185磷酸化的程度降低了，意味著泛素化的OsCERK1的激酶活性下降了。

有趣的是，在野生種原生質體中，當研究團隊用幾丁質處理後，OsCERK1的泛素化就降低了。進一步的研究發現，當OsCERK1被幾丁質活化後，它不僅會磷酸化位於自己下游的OsCERK1，還會去磷酸化在和平狀態時負責抑制它的OsCIE1。這其實很有趣，在和平時期OsCIE1負責抑制OsCERK1，而在戰爭時期OsCERK1不但會活化自己的國防部門，還會叫OsCIE1這個監察部門「閉嘴」！

透過了解水稻這幾個基因之間的互動，我們對水稻的免疫機制有了更進一步的了解，也對複雜的生物世界有了更進一步的認識！

參考文獻：

Wang, G., Chen, X., Yu, C. et al. Release of a ubiquitin brake activates OsCERK1-triggered immunity in rice. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07418-9