《The Plant Journal》：Structural insights into glycan recognition by plant immune receptors: a comparative perspective with animal innate immune systems
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这篇综述系统比较了植物与动物先天免疫系统如何通过模式识别受体（PRR）感知聚糖类危险信号。文章聚焦于已解析晶体结构的PRR胞外域（ECD）与聚糖配体（包括微生物相关分子模式MAMP和损伤相关分子模式DAMP）的识别机制，揭示了赖氨酸基序（LysM）、富含亮氨酸重复序列（LRR）、C型凝集素（CLR）等结构域识别几丁质、β-葡聚糖、肽聚糖（PGN）等配体的结构基础，并比较了跨界的保守性与独特性。最后强调了此类结构知识对设计基于PRR/寡糖的可持续作物保护策略的潜力。
在生命漫长的演化历程中，从植物到动物，所有真核生物都发展出了一套精密的免疫监视系统，用于感知危险信号并启动防御。这套系统的“哨兵”就是模式识别受体（PRR），它们能特异性识别源自病原体的保守“非我”分子（微生物相关分子模式，MAMP），或由宿主在损伤或感染时释放/合成的“自我”分子（损伤相关分子模式，DAMP）。有趣的是，碳水化合物（聚糖）是微生物外层和宿主细胞表面/细胞外基质的主要结构成分，因此大量已被鉴定的MAMP和DAMP都具有聚糖本质。这篇综述就像一位高明的结构生物学家，带领我们深入观察那些已被“定格”的微观世界——通过X射线晶体学解析出的PRR胞外域与其聚糖配体结合的复合物结构，比较植物与动物两大王国在聚糖感知策略上的异同，揭示生命应对威胁的智慧与多样性。
聚糖：植物与动物免疫中的危险信号
植物与微生物的界面是一个动态的“战场”，微生物外层和植物细胞壁的多糖不断被重塑。酶解这些多糖会释放出具有生物活性的聚糖信号。在植物中，来自真菌细胞壁的几丁质（β-1,4-D-N-乙酰葡糖胺，GlcNAc）寡聚物是强大的防御反应诱导剂。其他微生物聚糖类MAMP还包括细菌的肽聚糖（PGN），以及来自细菌、真菌和卵菌的各种β-葡聚糖。与此同时，植物也能感知大量内源的聚糖片段作为DAMP。植物细胞壁堪称DAMP的“储备库”，包括纤维素衍生的β-1,4-D-葡萄糖寡聚体（如纤维三糖CEL3、纤维四糖CEL4）、半纤维素衍生的寡糖，以及果胶衍生的寡聚半乳糖醛酸（OGs）。一些免疫原性聚糖（如混合连接葡聚糖MLG；β-1,3/β-1,4-D-葡聚糖）在植物和微生物中都有存在，可同时作为DAMP或MAMP。有趣的是，并非所有聚糖片段都具有免疫刺激性，某些短链OGs甚至可能抑制免疫信号。植物还通过一类称为BBE-like的氧化酶家族（如CELLOX和OGOXs）主动氧化纤维素和OG片段，使其失活，从而防止过度的免疫信号传导，维持免疫稳态。
在动物细胞中，碳水化合物同样高度多样。糖胺聚糖（GAGs）如透明质酸（HA）、硫酸乙酰肝素（HS）是细胞外基质的关键支架。在组织损伤时，这些ECM衍生的聚糖和蛋白聚糖的片段（如低分子量HA片段）可作为有效的DAMP，刺激先天免疫和炎症。此外，细胞膜糖蛋白和糖脂上的聚糖修饰（如唾液酸化）可作为分子标签被动物凝集素识别，在压力或感染时，这些聚糖阵列被切割或重塑，暴露出不常见的碳水化合物基序（如去唾液酸化暴露的半乳糖），被PRR识别。与植物相似，动物先天免疫也检测许多微生物碳水化合物类MAMP，如PGN、几丁质、真菌细胞壁的甘露聚糖等。其中，真菌β-葡聚糖因其β-1,3连接的主链和β-1,6分支与ECM衍生的DAMP相似，被Dectin-1等凝集素感知，触发了抗真菌免疫。这揭示了聚糖识别作为一种趋同机制，用于感知组织完整性扰动，无论其来源是“自我”还是“非我”。
识别免疫原性聚糖的PRR及其感知机制
植物PRR是一个庞大的质膜受体家族，其胞外域（ECD）结构多样，能够感知多肽、蛋白质、核苷酸、碳水化合物和脂质。参与聚糖识别的植物PRR的ECD类型包括：赖氨酸基序（LysM）、凝集素、富含半胱氨酸的表皮生长因子（EGF）基序（存在于WAKs中）、富含亮氨酸重复序列（LRR）、LRR-麦胚凝集素（malectin）和麦胚凝集素样LRR。其中，LysM受体是植物中表征最清楚的PRR之一，介导对几丁质寡聚体、β-1,3-D-葡聚糖、MLG、PGN和脂多糖（LPS）等多种聚糖的感知。另一个在结构上得到支持的聚糖结合PRR是拟南芥的LRR-麦胚凝集素家族IMPAIRED IN GLYCAN PERCEPTION（IGP1， IGP3， IGP4），它们与纤维素片段、MLG和木寡糖的感知和免疫激活有关。此外，LRR-RKs家族成员ARMs被证明结合鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I片段。WAK家族成员曾被认为是OG受体的主要候选，但遗传学证据表明它们对OG感知并非必需。最近，一个新受体MALECTIN-LIKE DOMAIN-CONTAINING LRR-RLK INVOLVED IN OLIGOGALACTURONIDE PERCEPTION 1（MLOP1）被鉴定可介导OG诱导的防御反应。
在动物中，先天免疫对DAMP/MAMP的感知主要由六个经典PRR家族介导：膜结合的C型凝集素受体（CLR）和Toll样受体（TLR），以及胞质内的NOD样受体（NLR）、cGAMP合酶（cGAS）、AIM2样受体（ALR）和RIG-I样受体（RLR）。其中，CLR、TLR和NLR是参与聚糖识别的主要家族。CLR家族包括超过15个与免疫相关的成员，专门识别微生物聚糖和DAMP，并有丰富的结构数据。例如，Dectin-1结合β-葡聚糖，Dectin-2识别高甘露糖聚糖和真菌α-甘露聚糖，Mincle检测海藻糖二霉菌酸酯，Langerin结合GlcNAc。虽然TLR家族某些成员参与糖脂或真菌多糖的感知，但尚无ECD TLR以聚糖作为主要表位被解析的晶体结构。人类基因组编码23个NLR，包括NOD2，其通过LRR结构域识别细菌PGN。此外，几个非经典PRR家族也有贡献，例如唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素（Siglec）识别应激或死亡细胞上改变的唾液酸化模式，半乳糖凝集素（Galectin）结合微生物糖蛋白和糖脂中的β-半乳糖苷，以及含纤维蛋白原相关结构域（FReD）的蛋白质（如纤维胶凝蛋白、FIBCD1）识别微生物碳水化合物。
聚糖识别的结构基础
与动物PRR拥有大量高分辨率结构数据相比，参与聚糖感知的植物PRR在结构水平上探索相对不足，目前只有含LysM和LRR-麦胚凝集素的PRR与其聚糖配体结合的结构被解析。以下部分详细分析了动植物中已解析的PRR/聚糖复合物晶体结构，聚焦于它们的聚糖结合策略和识别的结构机制。
N-乙酰化聚糖的识别
基于GlcNAc的配体，如几丁质寡聚体、壳寡糖（CO）、脂壳寡糖（LCO）及相关N-乙酰化基序，为动植物间的结构趋同提供了最清晰的例证。在植物中，LysM型受体构成了一个高度特化的聚合物感应平台。拟南芥的CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1（AtCERK1）ECD与（GlcNAc）5结合的晶体结构显示，其ECD包含三个LysM亚结构域，形成三叶草形结构。其中LysM2形成主要的几丁质结合位点，结合沟槽宽广、延伸且亲水，可容纳GlcNAc寡聚体。N-乙酰基团对结合特异性至关重要，与ECD保守残基形成氢键和范德华相互作用。由于几丁质链的β-1,4键使其呈完全伸展构象，更长的寡聚体（如（GlcNAc）8）可促进CERK1同源二聚化，驱动免疫信号。AtCERK1与LysM RECEPTOR-LIKE KINASE 5（LYK5）形成预组装复合物，对几丁质感知至关重要，LYK5对几丁质寡聚体具有纳摩尔级结合亲和力，两者功能互补。
在水稻中，几丁质识别依赖于由LysM受体样蛋白OsCEBiP和LysM受体激酶OsCERK1形成的异源复合体。OsCERK1和OsCEBiP的ECD晶体结构显示，它们通过类似的策略结合配体。配体结合促进OsCEBiP同源二聚化并招募OsCERK1，后者的激酶活性触发下游免疫信号。在豆科植物中，受体如LjLYS6（LjCERK6）和MtCERK1保留了经典的几丁质结合残基并介导免疫反应。而其旁系同源物如NOD FACTOR RECEPTOR（NFR1/NFR5）则经过结构修饰，使其能够识别共生根瘤菌衍生的LCO。这些发现揭示了植物如何利用一个聚合物感应折叠来区分结构相关但生物学结果不同的聚糖，维持免疫和共生的平行通路。
最近在人类上皮细胞中鉴定出的LysM受体LYSIN MOTIF DOMAIN 3（LysMD3）表明，植物中成熟的几丁质感知机制也可能在动物免疫中运作。有趣的是，动物拥有其他遵循根本不同架构逻辑的GlcNAc识别机制。最明显的例子是FIBCD1，其胞外域形成FReD的同源四聚体，每个包含一个保守的S1口袋，通过氢键和疏水相互作用结合N-乙酰化糖。可溶性的含FReD蛋白，如人M-纤维胶凝蛋白，靶向化学相关的基序（如N-乙酰化糖），但不作为专门的几丁质受体。相比之下，C型凝集素受体如巨噬细胞半乳糖凝集素（MGL）采用不同的结合架构，其碳水化合物识别域包含一个Ca2+依赖性结合口袋，赋予对GalNAc糖残基的高特异性。半乳糖凝集素代表了另一种主要的含GlcNAc聚糖识别模式，采用β-三明治CRD架构和多样的寡聚化策略。
总体来看，LysM受体专门结合长的GlcNAc寡聚体，并依赖于配体的物理结构来组织受体复合物（主要基于植物PRR数据）。而动物的CRL、半乳糖凝集素和含FReD的蛋白质则依赖于紧凑的、化学定义的口袋，通常一次与一或两个糖单位相互作用。由于它们的配体较短，多价性是通过受体寡聚化（FIBCD1中的四聚体、纤维胶凝蛋白中的三聚体、半乳糖凝集素中的二聚体或更高级组装）产生的，而不是通过配体延伸，这反映了与LysM受体相比识别逻辑的真正差异。
β-葡聚糖的识别
与依赖于β-1,4连接GlcNAc链的刚性和线性的几丁质识别不同，葡聚糖受体必须区分化学相同的葡萄糖单元，这些单元以在方向、曲率、柔韧性和分支上细微变化的连接方式排列。最近描述的纤维素衍生寡糖LRR-麦胚凝集素受体IGP1 exemplifies了这种识别策略。IGP1与CEL3结合的晶体结构揭示，这个DAMP被容纳在ECD的LRR结构域内。IGP1通过芳香族CH-π相互作用和氢键的组合结合纤维寡糖，将特定的葡萄糖单元锚定在一个在apo状态下基本预形成的口袋中。麦胚凝集素样结构域主要提供刚性结构支架和有限的极性接触，而其LRR结构域则贡献了由Trp 146和Tyr 196形成的芳香钳以及关键的极性相互作用。配体结合时最小的结构重排表明，受体已准备好快速检测纤维素衍生的片段，反映了在LysM受体中看到的原则：特异性嵌入胞外域的静态结构中，聚合物的几何形状决定受体的结合。然而，结合机制与LysM受体明显不同。虽然几丁质结合在结合沟槽中可以是双向的，但CEL3进入IGP1结合口袋完全是单向的，只允许完整的异头碳结合。事实上，氧化的CEL3不能结合到IGP1口袋，证明DAMP的修饰会阻碍其激发活性。
植物感知的MLG配体引入了进一步的复杂性，因为它们的β-1,3/1,4模式产生了不同于线性纤维寡聚体的局部曲率和柔韧性。在水稻中，OsCERK1通过未知机制参与对MLG43的感知。同时，G型凝集素受体激酶OsLecRK1也被描述为结合多种MLG，但对CEL4没有可检测的亲和力，展示了一种能区分连接模式细微变化的精细调节特异性。鉴于OsCERK1和OsCEBiP也参与水稻中MLG的感知，OsLecRK1可能与这些受体形成异源复合体，表明植物可能组合不同的胞外模块来解释葡聚糖的形状。植物还通过仅部分表征的受体感知更广谱的β-葡聚糖。有趣的是，参与几丁质感知的人LysMD3 ECD也结合线性β-1,3和分支β-1,3/β-1,6-葡聚糖。这些观察表明，植物和动物采用模块化的受体支架，可以解释β-葡聚糖连接和分支模式的细微变化。
其他动物葡聚糖受体采用不同的架构，但在葡聚糖配体识别的化学原理上趋同。C型凝集素受体Dectin-1通过氢键和芳香族残基介导的CH-π相互作用识别β-1,3/1,6-葡聚糖，与IGP1-CEL3结合类似，但使用适应配体曲率的柔性环。有趣的是，许多动物PRR，包括L-纤维胶凝蛋白和Mincle，利用钙离子来稳定结合几何形状并使葡聚糖在口袋中正确定向。除了Dectin-1，这些额外的受体依赖于柔性环和诱导拟合机制，使它们能够容纳短的葡聚糖基序，反映了以化学定义口袋而非聚合物拓扑为中心的识别策略。Dectin-1的独特之处不在于它缺乏柔性环（它确实使用它们来适应β-1,3/β-1,6-葡聚糖的曲率），而在于当结合长的β-葡聚糖链时，它可以进行配体依赖性寡聚化，这种行为类似于为植物LysM受体（如AtCERK1）描述的聚合物驱动的聚类。其他讨论的动物受体尚未报道这种配体长度依赖性组装。因此，迄今为止描述的植物受体倾向于通过预先组织的表面和模块化胞外域来解释葡聚糖拓扑结构，而动物受体更常见地依赖于柔性环和基于口袋的结构，通过诱导拟合来容纳短的葡聚糖片段。两个系统都利用了芳香族堆积和氢键，以及基于LysM的机制。
肽聚糖的识别
两个王国都拥有检测保守的二糖骨架GlcNAc-MurNAc（N-乙酰胞壁酸）的受体。在植物中，PGN感知主要由LysM含受体介导，这些受体作为协同的、配体响应性组装发挥作用。在拟南芥中，由LYM1、LYM3和CERK1组成的三方系统特别清晰地阐明了这一原理。LYM1和LYM3是直接结合不溶性PGN片段的GPI锚定蛋白，而CERK1缺乏直接的配体结合能力但对信号转导不可或缺。生化证据表明，特异性主要在于对聚糖骨架的识别而不是肽茎，因为对肽部分的修饰不会改变结合或信号传导，并且游离肽不会竞争受体结合。这表明植物LysM受体通过跨细菌类群保持不变的保守糖基序检测PGN，尽管这种选择性的结构基础仍未解决。
水稻呈现了一个功能更多样的PGN感知系统。LysM-CONTAINING PROTEIN受体LYP4和LYP6表现出双重特异性，同时结合细菌PGN和真菌几丁质。生化测定显示，这些受体以高特异性识别PGN寡聚体，交叉脱敏实验表明PGN和几丁质反应竞争，表明两种配体结合重叠的受体复合物。在结构上，LYP4和LYP6作为预先关联的异源寡聚体存在于质膜上，在配体结合时解离以招募受体样激酶OsCERK1。尽管OsCERK1不直接结合PGN，但其胞外LysM结构域促进受体异源寡聚化，而其胞内激酶结构域启动MAPK级联反应。这种动态组装机制将配体检测与受体重组耦合，反映了在几丁质和葡聚糖感知中看到的模块化、拓扑驱动的逻辑。
在动物中，基于LysM感知的类似机制也有描述，因为人类LysMD3在果蝇中的直系同源物LysMD3/4可以通过体外亲和结合测定结合不溶性PGN，但不结合几丁质。然而，动物拥有其他由NLR NOD2和肽聚糖识别蛋白（PGRP）介导的PGN识别策略。NOD2是一种胞质LRR受体，结合胞壁酰二肽（MDP）。识别主要由肽相互作用介导；然而，MurNAc部分对高亲和力识别不可或缺，因为它提供额外的氢键和范德华相互作用。此外，人类PGRPs共享一个保守的折叠，围绕一个中央β-片层，两侧是α-螺旋，由二硫键和N末端段稳定，形成一个深的、预先组织的裂隙，可容纳聚糖骨架和肽茎。这个口袋将PGN的多个结构特征整合到一个结合位点中，允许受体根据二糖的几何形状和肽部分的方向在化学型之间进行区分。不同PGRP的结构研究揭示了共同架构框架上的变化。
总之，这些系统说明了针对同一生化问题（感知PGN）的两种不同进化解决方案：LysM模块化受体网络（其中配体结合重组多聚体复合物）和自主受体（如具有深结合裂隙的PGRP，将聚糖和肽信息整合在单一折叠内）。两种策略都以高特异性检测保守的PGN基序，但识别和信号传导的结构逻辑根本不同。
