過敏性反応

植物免疫学において、過敏性反応（HR ）は、植物が微生物病原体による感染の拡大を防ぐために用いるメカニズムである。HRは、感染部位周辺の局所領域における細胞の急速な死を特徴とし、病原体の増殖と植物の他の部分への拡散を制限する役割を果たす。これは動物に見られる自然免疫系に類似しており、一般的に、より緩やかな全身性（植物全体）反応に先行し、最終的に全身獲得抵抗性（SAR）につながる。^{[ 1 ]} HRの開始は、抵抗性（R）タンパク質の活性化と関連しており、植物では主にヌクレオチド結合タンパク質およびロイシンリッチリピートタンパク質（NLR）であり、これらは病原体のエフェクターを検出する細胞内センサーである。エフェクターに結合すると、HRを誘発する構造変化を起こす。^{[ 2 ]} HRは、大多数の植物種で観察され、卵菌類、ウイルス、真菌、さらには昆虫など、幅広い植物病原体によって誘導される。^{[ 3 ]}

HRは、栄養を得るために生きた組織を必要とする生物栄養性植物病原体に対する効果的な防御戦略として一般的に考えられています。壊死栄養性病原体の場合、栄養を得るために死んだ植物細胞を必要とするため、HRは病原体にとってさえ有益である可能性があります。感染の初期段階では生物栄養性として作用するものの、後に壊死栄養性の生活様式に切り替わるPhytophthora infestansのような病原体を考慮すると、状況は複雑になります。この場合、HRは感染の初期段階では有益であるが、後期段階ではそうではないと提案されています。^{[ 4 ]}

過敏性反応がどのように起こるかの最初の考えは、ハロルド・ヘンリー・フローの遺伝子対遺伝子モデルから生まれた。彼は、植物によってコードされるすべての抵抗性（R）遺伝子に対して、微生物によってコードされる対応する非病原性（Avr）遺伝子が存在すると仮定した。植物と病原体の相互作用中にAvr遺伝子とR遺伝子の両方が存在する場合、植物は病原体に対して抵抗性を示す。 ^{[ 5 ]}これらの遺伝子は通常、優性状態にある必要がある。植物と病原体の相互作用に関与する遺伝子は、非常に速い速度で進化する傾向がある。 ^{[ 6 ]}

多くの場合、 R遺伝子によって媒介される抵抗性は、HRを誘導し、アポトーシスを引き起こすことによるものです。植物のR遺伝子のほとんどはNLRをコードしており、これは動物のNOD様受容体（NLR）タンパク質と構造的にも機能的にも類似しています。 ^{[ 7 ]} NLRタンパク質のドメイン構造は、ヌクレオチド結合ドメインであるNB-ARCドメインで構成されており、NLRタンパク質の活性化に伴う構造変化に関与しています。不活性型では、NB-ARCドメインはアデノシン二リン酸（ADP）に結合しています。病原体が感知されると、ADPはアデノシン三リン酸（ATP）に交換され、これによりNLRタンパク質の構造変化が誘導され、HRが起こります。N末端では、NLRはToll-インターロイキン受容体（TIR）ドメイン（哺乳類のToll様受容体にも見られる）またはコイルドコイル（CC）モチーフのいずれかを持っています。 TIRドメインとCCドメインの両方がHR中の細胞死を引き起こすことに関与している。NLRのC末端はロイシンリッチリピート（LRR）モチーフで構成されており、病原体の毒性因子を感知することに関与している。^{[ 8 ]}

HRは、植物が病原体を認識すると引き起こされます。病原体の識別は、通常、病原体によって分泌される病原性遺伝子産物が、植物のR遺伝子の産物に結合するか、間接的に相互作用するときに起こります。侵入する病原体によって分泌されるこれらの「病原性因子」（エフェクター）は、植物がそれらを検出するのに対応するRタンパク質を進化させている場合は、「非病原性（avr）タンパク質」とも呼ばれます。R遺伝子は高度に多型性であり、多くの植物は複数の異なるタイプのR遺伝子産物を生成し、多くの異なる病原体によって生成される病原性産物を認識できるようにします。^{[ 9 ]}これらのエフェクターの認識は、感染を阻止するためのHRを特徴とする植物のエフェクター誘発性免疫（ETI）を引き起こします。^{[ 10 ]}

HRの第1段階では、R遺伝子の活性化によりイオンフラックスが引き起こされ、水酸化物イオンとカリウムイオンが細胞外に流出し、カルシウムイオンと水素イオンが細胞内に流入する。^{[ 11 ]}

第2段階では、HRに関与する細胞は、活性酸素種（ROS）、スーパーオキシドアニオン、過酸化水素、ヒドロキシルラジカル、および一酸化窒素を生成することにより、酸化バーストを発生させます。これらの化合物は、脂質過酸化を誘導したり、脂質損傷を引き起こしたりすることによって、細胞膜機能に影響を与えます。^{[ 11 ]}

ROSの存在下での細胞内のイオン成分の変化と細胞成分の分解は、影響を受けた細胞の死と局所病変の形成をもたらし、これはトウモロコシとシロイヌナズナで広く研究されている。活性酸素種はまた、リグニンとカロースの沈着、およびPPPPYモチーフのチロシンを介してP33などの予め形成されたヒドロキシプロリンリッチ糖タンパク質を細胞壁マトリックスに架橋する。^{[ 11 ]}これらの化合物は、感染を取り囲む細胞の壁を強化し、バリアを作り、感染の拡大を阻害する。^{[ 12 ]} HRの活性化はまた、細胞骨格、ミトコンドリア機能、および代謝の変化の破壊をもたらし、これらすべてが細胞死を引き起こす可能性がある。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

NLRペアとネットワーク

NLRは単独で機能することが知られていますが、NLRタンパク質がペアで機能する場合もあります。このペアは、センサーNLRとヘルパーNLRから構成されます。センサーNLRは、病原体から分泌されるエフェクタータンパク質を認識し、ヘルパーNLRを活性化する役割を担い、ヘルパーNLRは細胞死を実行します。センサーNLRとそれぞれのヘルパーNLRの遺伝子は通常ゲノム内でペアになっており、その発現は同じプロモーターによって制御される可能性があります。これにより、個々の構成要素ではなく機能的なペアが細胞分裂中に分離され、両方のNLRが細胞内で同量生成されることが保証されます。^{[ 21 ]}

受容体ペアは、負の制御または協調という2つの主要なメカニズムを通して機能する。

負の制御シナリオでは、センサーNLRはヘルパーNLRを負に制御し、通常の状態では細胞死を防ぐ役割を担っています。しかし、エフェクタータンパク質が導入され、センサーNLRによって認識されると、ヘルパーNLRの負の制御が解除され、HRが誘導されます。^{[ 22 ]}協力メカニズムでは、センサーNLRがエフェクタータンパク質を認識すると、ヘルパーNLRにシグナルを送り、ヘルパーNLRを活性化します。^{[ 23 ]}

最近、植物NLRは単独またはペアとして作用するだけでなく、ネットワークとしても作用することが発見されました。これらのネットワークでは、通常、多数のセンサーNLRが比較的少数のヘルパーNLRとペアになっています。^{[ 23 ]} HR経路には、侵入細胞におけるエフェクター認識に関連するイオンフラックス、膜破壊、局所的な細胞死を制御するマルチタンパク質シグナル伝達カスケードも含まれています。TIRドメインシグナル伝達においてセンサーNLRの下流で作用するNRG1、ADR1などのヘルパーNLRは、防御応答を誘発するために追加の免疫成分を活性化することが報告されています。^{[ 24 ] [ 25 ]}

NLRネットワークに関与するタンパク質の一例として、NRCスーパークレードに属するタンパク質が挙げられる。このネットワークは、遺伝的に連結したNLRペアが非連結の遺伝子座に重複したイベントから進化し、新しいペアが新しい病原体に対応するように進化することができたと考えられる。この分離は、センサーNLRが病原体エフェクターの急速な進化に対応してより迅速に進化できる一方で、ヘルパーNLRはHRを誘導する能力を維持するためにずっとゆっくりと進化できるため、システムに可塑性をもたらすと考えられる。しかし、進化の過程で新しいヘルパーNLRも進化してきたようで、これは特定のセンサーNLRが最適に機能するために特定のヘルパーNLRを必要とするためと考えられる。^{[ 23 ]}

植物NLRのバイオインフォマティクス解析により、ヘルパーNLRのN末端には保存されたMADAモチーフが存在するが、センサーNLRには存在しないことが明らかになった。すべてのCC-NLRの約20%がMADAモチーフを有しており、このモチーフがHRの実行に重要であることを示唆している。^{[ 26 ]}

NLRシグナル伝達経路に関する最近の研究により、その活性化についてより多くのことが明らかになった。異なるNLRクレードが、異なる構造とシグナル出力を持つレジストソームを形成できることが示された。科学者たちは、植物でこれまで知られていた五量体および六量体の集合体とは対照的に、小麦で八量体のレジストソームを発見した。これは、植物の系統とNLRサブクラスにわたる多様な免疫複合体構造と、これらの因子がこれまで知られていたよりも広範囲にHRに関与していることを示唆している。^{[ 27 ]}

NLRタンパク質を介したHRの偶発的な活性化は植物組織の甚大な破壊を引き起こす可能性があるため、NLRは転写レベルと翻訳後レベルの両方で厳密な負の制御によって不活性な状態に保たれています。通常の状態では、NLRのmRNAは非常に低いレベルで転写され、その結果、細胞内のタンパク質レベルは低くなります。NLRは折り畳みのためにかなりの数のシャペロンタンパク質も必要とします。折り畳まれなかったタンパク質はすぐにユビキチン化され、プロテアソームによって分解されます。^{[ 28 ]}多くの場合、NLR生合成に関与するシャペロンタンパク質がノックアウトされると、HRが消失し、NLRレベルが著しく低下することが観察されています。^{[ 29 ]}

分子内相互作用もHRの調節に不可欠である。NLRタンパク質は直線状ではなく、NB-ARCドメインはLRRドメインとTIR / CCドメインの間に挟まれている。通常の状態では、細胞質にはADPよりもATPがはるかに多く存在し、NLRタンパク質のこの配置により、 ADPとATPの自発的な交換、ひいてはHRの活性化が妨げられる。病原性因子が感知された場合にのみ、ADPがATPに交換される。^{[ 16 ]}

植物の防御機構の特定の構成要素の突然変異により、病原体のエフェクタータンパク質が存在しない場合でもHRが活性化される。これらの突然変異の一部はNLR遺伝子で観察され、分子内調節機構の破壊によりこれらのNLRタンパク質が自己活性化する。自発的なHRを引き起こす他の突然変異は、病原体の侵入中にROS産生に関与するタンパク質に存在する。^{[ 4 ]}

HRは温度感受性プロセスでもあり、多くの場合、植物と病原体の相互作用は30  ℃を超える温度ではHRを誘導せず、その結果、病原体に対する感受性が増加することが観察されている。^{[ 30 ]}温度が植物の病原体に対する抵抗性に及ぼす影響のメカニズムは詳細には理解されていないが、研究によると、NLRタンパク質のレベルがこの調節において重要である可能性がある。^{[ 31 ]}また、高温ではNLRタンパク質がオリゴマー複合体を形成しにくくなり、その結果、HRを誘導する能力が阻害されるという提案もある。^{[ 32 ]}

また、HRは光条件に依存しており、これは葉緑体の活動、特にROSを生成する能力に関連している可能性があることも示されています。^{[ 33 ]}

ROSの生成にはいくつかの酵素が関与していることが示されています。例えば、銅アミンオキシダーゼは、ポリアミン、特にプトレシンの酸化的脱アミノ化を触媒し、ROSメディエーターである過酸化水素とアンモニアを放出します。^{[ 34 ]} ROS生成に関与すると考えられる他の酵素には、キサンチンオキシダーゼ、NADPH オキシダーゼ、シュウ酸オキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、フラビン含有アミンオキシダーゼなどがあります。^{[ 11 ]}

場合によっては、病変部周囲の細胞が、フェノール類、フィトアレキシン、β-グルカナーゼやキチナーゼなどの病原性関連（PR）タンパク質を含む抗菌性化合物を合成する。これらの化合物は、細菌の細胞壁に穴を開けることによって、あるいは問題の病原体の成熟を遅らせたり、代謝を阻害したり、増殖を阻止したりすることによって作用する可能性がある。

研究によると、植物細胞成分の分解の実際の様式と順序は、個々の植物と病原体の相互作用によって異なるが、すべてのHRにはシステインプロテアーゼの関与が必要であるようだ。細胞死の誘導と病原体の除去には、活発なタンパク質合成、無傷のアクチン細胞骨格、およびサリチル酸の存在も必要である。^{[ 9 ]}

病原体は、植物の防御反応を抑制するためにいくつかの戦略を進化させてきた。細菌が通常標的とする宿主プロセスには、プログラム細胞死経路の改変、細胞壁に基づく防御の阻害、植物ホルモンシグナル伝達および防御遺伝子の発現の改変などがある。^{[ 35 ]}

特定の壊死性病原体に対する反応として局所的にHRが開始されると、植物が病原体に対する全身性免疫を発達させることができることが示されている。^{[ 36 ]}科学者たちは、特定の病原体に耐性のある遺伝子組み換え植物を作るために、植物に全身性抵抗性を誘導するHRの能力を利用しようとしてきた。病原体誘導性プロモーターは、病原体が存在する場合にのみHR反応を誘導し、それ以外の時には誘導しないように、自己活性化NLR遺伝子にリンクされている。しかし、このアプローチは、改変によって植物の収量が大幅に減少するため、ほとんど実現不可能であった。^{[ 4 ]}

最近の取り組みでは、HRの保護効果を維持しながら、それに伴う成長阻害を軽減するという大きな成功を収めています。研究者らは、Nicotiana benthamianaで発現されるジェミニウイルス誘導性Solyc04g076730プロモーターの下で、 Avr/R遺伝子ペア、Avr4/Cf-4エフェクター抵抗性遺伝子からなるHRカセットの発現と活性化を制御するために、ウイルス誘導性プロモーターを適応させました。^{[ 37 ]}彼らは、ウイルスが存在する場合にのみHRを活性化させ、成長阻害を軽減した、標的を絞った合理化された防御戦略を提示しました。

シロイヌナズナでは、2つの異なる植物系統を交配すると、子孫に雑種壊死の兆候が見られることがあることが観察されている。これは、親植物が不適合なNLRを含んでおり、同じ細胞で一緒に発現すると自発的なHRを誘導するためである。^{[ 38 ]}

この観察から、植物病原体が植物の種分化につながる可能性があるという仮説が立てられた。同じ種の植物集団が異なる病原体エフェクターに反応して不適合なNLRを発達させると、 F1世代の子孫に雑種壊死が起こり、子孫の適応度と次世代への遺伝子流動が大幅に低下する可能性がある。 ^{[ 39 ]}

植物と動物の両方にNLRタンパク質があり、細胞死を誘導するという同じ生物学的機能を持っているようです。植物と動物のNLRのN末端は異なりますが、両方ともC末端にLRRドメインを持っているようです。 ^{[ 40 ]}

動物と植物のNLRの大きな違いは、認識するものにあります。動物のNLRは主に病原体関連分子パターン（PAMP）を認識するのに対し、植物のNLRは主に病原体のエフェクタータンパク質を認識します。これは、NLRが細胞内に存在し、植物にはウイルスを除いて細胞内病原体がほとんどなく、ウイルスは急速に進化しているためPAMPを持たないことを考えると理にかなっています。一方、動物には細胞内病原体があります。^{[ 41 ]}

クラミドモナスなどの特定の藻類を除いて、植物系統の大部分はNLRを持っています。NLRは多くの動物種にも存在しますが、例えばショウジョウバエや節足動物には存在しません。^{[ 40 ]}

動物では、NLRがPAMPを認識すると、NLRはオリゴマー化してインフラマソームと呼ばれる構造を形成し、パイロトーシスを活性化します。植物では、構造研究により、NLRもオリゴマー化してレジストソームと呼ばれる構造を形成し、これも細胞死につながることが示唆されています。植物と動物の両方で、レジストソームまたはインフラマソームの形成は、それぞれ膜に孔を形成することによって細胞死につながるようです。タンパク質構造から推測すると、植物ではNLR自体が膜に孔を形成する原因であり、インフラマソームの場合は、孔形成活性はNLRのオリゴマー化の結果としてカスパーゼによって切断されるガスダーミンDから生じます。^{[ 42 ] [ 43 ]}植物細胞にはカスパーゼがありません。^{[ 44 ]}

• 植物の病害抵抗性
• 植物病原菌
• 植物ホルモン
• 全身獲得抵抗性
• 抗菌ペプチド