Factorii de virulență vizează proteinele cheie ale medicinescenței gazdă interactom
Anne-Ruxandra Carvunis 1, 2 * și Matija Dreze 1, 2
1 Centrul pentru Biologia Sistemelor de Cancer (CCSB) și Departamentul de Biologie al Cancerului, Institutul Dana-Farber Cancer, Boston, MA 02215, SUA
2 Departamentul de genetică, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, SUA
Plantele joacă un rol central în majoritatea ecosistemelor prin capacitatea lor de a converti energia solară în energie „biologică”. Singura sursă de oxigen gazos de pe pământ, plantele sunt, de asemenea, principala sursă de hrană umană și furnizează combustibili fosili și fibre textile. Pentru a răspunde provocărilor agronomice și de mediu prezente și viitoare, este esențial să dobândiți cunoștințe aprofundate despre mecanismele care controlează procesele biochimice și moleculare găsite în mod specific în plante. În acest scop, am fost deosebit de interesați de interacțiunile dintre plante și fitopatogeni la nivel molecular. În plus față de perspectivele agronomice și de mediu evidente, munca noastră sugerează existența unor principii universale care guvernează organizarea sistemelor imune în timpul unei interacțiuni gazdă-agent patogen.
Interacțiuni între plante și fitopatogeni: modelul în zigzag
Douăzeci de ani de cercetare de bază folosind Arabette des dames (Arabidopsis thaliana) ca organism model au dus la un concept numit zigzag, care descrie interacțiunile dinamice dintre celulele vegetale și agenții patogeni ai plantelor la scară moleculară [1]. Detectarea moleculelor „non-self” de către receptorii de membrană declanșează o primă linie de apărare generică, „zig”. Cu toate acestea, mulți agenți patogeni sunt capabili să injecteze în celulele plantei efectori moleculari care, slăbind efectul zig-ului, cresc susceptibilitatea la infecție: „zag”. Ca răspuns, receptorii intracelulari par să fie capabili să recunoască „sinele modificat” și să provoace un al doilea val de apărare imună, un al doilea zig. Gradul de rezistență al plantelor la agenții patogeni depinde de amploarea acestor două linii de apărare, precum și de intensitatea atacului.
În ciuda eleganței sale, modelul în zigzag se bazează pe ipoteze care, în cea mai mare parte, nu au fost demonstrate în mod constant. În special, identitatea jucătorilor din sistemul imunitar rămâne în mare parte necunoscută, în afară de anumite grupuri de proteine (în principal receptori). În plus, interacțiunile fizice pe care proteinele de imunitate le stabilesc între ele și cu efectori patogeni au fost puțin studiate.
Abordarea interactomică
Astăzi, este clar că interacțiunile fizice dintre proteine formează rețele complexe și extrem de dinamice (interactomi), care stau la baza relațiilor genotip-fenotip [2]. Descrierea experimentală a acestor rețele (cartografiere) este esențială pentru o înțelegere cuprinzătoare a sistemelor biologice - cum ar fi imunitatea - și a mecanismelor moleculare corespunzătoare. Stabilirea hărților interactomice a oferit o multitudine de resurse la speciile non-vegetale. În ciuda unei abundențe de cunoștințe moleculare și genetice, există o lipsă notorie de date experimentale care descriu interacțiunile dintre proteinele pentru Arabette a doamnelor (și nu numai între proteinele imunității) și, mai general, pentru speciile din lumea plantelor.
Abordarea interactomică aplicată interacțiunilor dintre plante și fitopatogeni
Prin urmare, am construit două hărți interactomice pentru Ladies Arabette folosind metoda dublă hibridă de drojdie. Primul [3], stabilit prin testarea sistematică a peste 35 de milioane de perechi de proteine vegetale, a detectat aproximativ 6.200 de interacțiuni între 2.700 de proteine. Estimăm că această hartă acoperă 2% din interacțiunea completă a Ladettei Arabette. A doua hartă [4] se concentrează asupra sistemului imunitar și a interacțiunilor sale cu efectorii a doi fitopatogeni: bacteriile Gram-negative Pseudomonas syringae (Psihic) și oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa). Această hartă prezintă 3000 de interacțiuni între 900 de proteine, inclusiv efectori patogeni, proteine cunoscute anterior de sistemul imunitar, precum și alte proteine gazdă pe care le-am identificat ca interacționând cu oricare dintre aceste grupuri de proteine (și care, prin urmare, reprezintă probabil noi jucători în imunitate ) (Figura 1). Analiza combinată a acestor două hărți ne-a permis să evidențiem câteva principii fundamentale ale relațiilor gazdă-agent patogen în damele Arabette.
Direcționare hub-uri (noduri) ale interactomului proteic al gazdei în timpul atacului patogen (aici Psy și Hpa).
Atacuri vizate
Adoptând o metaforă militară pentru a descrie relațiile gazdă patogene, efectorii patogeni s-ar angaja în atacuri vizate (Figura 1) împotriva proteinelor cheie gazdă, pentru a obține controlul asupra celulei și a slăbi apărarea acesteia. Deși teoriile evoluționiste și cunoștințele actuale susțin acest model, acesta nu a fost încă demonstrat cu adevărat. Simulările noastre prezic că dacă efectorii realizează același număr de conexiuni, dar cu proteinele gazdă selectate aleatoriu din prima hartă, acestea ar interacționa în medie cu 320 de proteine gazdă, dintre care aproximativ 1% ar fi comune Hpa și Psihic. De fapt, rezultatele noastre experimentale arată că proteinele efectoare au vizat în mod repetat doar 165 de proteine gazdă, dintre care 10% împărtășite de Hpa și Psihic. Un astfel de grad de convergență din partea a doi agenți patogeni separați de aproximativ un miliard de ani de evoluție oferă un argument puternic în favoarea ipotezei atacurilor vizate.