U biljnoj imunologiji, hipersenzitivna reakcija je mehanizam koji biljke koriste kako bi spriječile širenje infekcije uzrokovane mikrobnim patogenima. HR se karakteriše brzom smrću ćelija u lokalnom području oko mjesta infekcije, čime se ograničava rast i širenje patogena na druge dijelove biljke. Ovaj proces je analogan urođenom imunološkom sistemu kod životinja i obično prethodi sporijem sistemskom (na nivou cijele biljke) odgovoru, koji na kraju dovodi do sistemski stečene otpornosti (SAR). HR se može uočiti kod ogromne većine biljnih vrsta i izazivaju ga različiti biljni patogeni, poput Oomycota, virusa, gljiva, pa čak i insekata. mini|Lezije uzrokovane hipersenzitivnom reakcijom biljke HR se uobičajeno smatra efikasnom strategijom odbrane protiv biotrofičnih biljnih patogena, koji za ishranu zahtijevaju živo tkivo. U slučaju nekrotrofičnih patogena, HR može čak biti od koristi samom patogenu, budući da oni za dobivanje hranjivih tvari trebaju mrtve biljne ćelije. Situacija postaje složenija kod patogena kao što je Phytophthora infestans, koji u početnim fazama infekcije djeluje kao biotrof, ali kasnije prelazi na nekrotrofični način života. Smatra se da u tom slučaju HR može biti koristan u ranim fazama infekcije, ali ne i u kasnijim fazama.
Genetika Prva ideja o tome kako dolazi do hipersenzitivne reakcije potiče iz modela gena za gen koji je predložio Harold Henry Flor. On je postulirao da za svaki gen otpornosti (R) koji kodira biljka postoji odgovarajući gen avirulentnosti (Avr) koji kodira mikrob. Biljka je otporna na patogen ako su prisutni i Avr i R geni tokom interakcije između biljke i patogena. Geni koji učestvuju u interakcijama između biljke i patogena imaju tendenciju da evoluiraju izuzetno brzo. mini|Mehanizam aktivacije biljnog NLR proteina nakon invazije patogena Vrlo često, otpornost posredovana R genima rezultat je njihovog induciranja HR-a, što dovodi do apoptoze. Većina biljnih R gena kodira NOD-slične receptore (NLR proteine). Struktura domena NLR proteina sastoji se od NB-ARC domena, koji je domen za vezivanje nukleotida i odgovoran je za konformacijske promjene povezane s aktivacijom NLR proteina. U neaktivnom obliku, NB-ARC domen je vezan za adenozin-difosfat (ADP). Kada se detektuje patogen, ADP se zamjenjuje adenozin-trifosfatom (ATP), što inducira konformacijsku promjenu NLR proteina i dovodi do HR-a. Na N-terminalnom dijelu, NLR sadrži ili Toll-interleukin receptor (TIR) domen (također prisutan u sisarskim toll-sličnim receptorima) ili coiled-coil (CC) motiv. Oba domena, i TIR i CC, učestvuju u izazivanju ćelijske smrti tokom HR-a. C-terminalni dio NLR-a sadrži leucinima bogat ponovljeni motiv (LRR), koji učestvuje u prepoznavanju virulentnih faktora patogena.
Mehanizam HR se aktivira kada biljka prepozna patogen. Prepoznavanje patogena obično se događa kada se produkt gena virulentnosti, koji luči patogen, veže za produkt biljnog R gena ili indirektno s njim interaguje. R geni su visoko polimorfni, a mnoge biljke proizvode nekoliko različitih tipova produkata R gena, što im omogućava prepoznavanje produkata virulentnosti koje proizvodi veliki broj različitih patogena.
U prvoj fazi HR-a, aktivacija R gena pokreće jonski fluks, koji uključuje izlazak hidroksidnih i kalijevih jona izvan ćelija, te ulazak kalcijumovih i vodikovih jona u ćelije.
U drugoj fazi HR-a, ćelije uključene u ovaj proces stvaraju oksidativni udar proizvodnjom reaktivnih kisikovih vrsta (ROS), superoksidnih aniona, vodik-peroksida, hidroksilnih radikala i azot-monoksida. Ova jedinjenja utiču na funkciju ćelijske membrane, djelimično inducirajući peroksidaciju lipida i izazivajući oštećenje lipida.
Promjene u jonskim komponentama ćelije i razgradnja ćelijskih struktura u prisustvu reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) dovode do smrti zahvaćenih ćelija, kao i do formiranja lokalnih lezija. Reaktivne kisikove vrste također pokreću taloženje lignina i kaloze, kao i međusobno povezivanje prethodno formiranih hidroksiprolinom bogatih glikoproteina, poput P33, u matricu ćelijskog zida preko tirozin ostatka u PPPPY motivu. Ova jedinjenja služe za ojačavanje ćelijskih zidova koji okružuju mjesto infekcije, stvarajući barijeru i sprječavajući širenje infekcije. Aktivacija HR-a također dovodi do poremećaja citoskeleta, funkcije mitohondrija i metaboličkih promjena, od koji svi mogu biti uključeni u izazivanje smrti ćelija.
Direktna i indirektna aktivacija HR se može aktivirati na dva osnovna načina: direktno i indirektno. Direktno vezivanje faktora virulentnosti za NLR proteine može rezultirati aktivacijom HR-a, ali to je relativno rijetko. Češće faktori virulentnosti ciljaju određene ćelijske proteine koje modifikuju, a ta modifikacija se potom prepoznaje preko NLR proteina. Indirektno prepoznavanje čini se češćim jer više faktora virulentnosti može modificirati isti ćelijski protein na isti način, što omogućava jednom receptoru da prepozna više faktora virulentnosti. Ponekad se domeni proteina koji su ciljani od strane faktora virulentnosti integrišu u strukturu NLR proteina. Primjer za to može se uočiti u otpornosti biljaka na patogen izazivača rizove plamenjače, gdje NLR protein RGA5 ima integrisan domen povezan s teškim metalima (HMA) koji je cilj više efektorskih proteina.
Primjer indirektnog prepoznavanja: AvrPphB je efektorski protein tipa III koji luči bakterija Pseudomonas syringae. Radi se o proteazi koja cijepa ćelijsku kinazu poznatu kao PBS1. Modifikovana kinaza se zatim prepoznaje putem RPS5 NLR proteina.
Resistozom Nedavna strukturna istraživanja CC-NLR proteina sugeriraju da se, nakon što se detektuju faktori virulentnosti, CC-NLR proteini okupljaju u pentamerni kompleks poznat kao resistozom. Resistozom izgleda da ima visoku afinitet prema ćelijskoj membrani. Kada se resistozom formira, heliks se izbočuje iz N-terminalnog dijela svakog NLR proteina i stvara pore u membrani, što omogućava izlazak jona i dovodi do smrti ćelije. Međutim, ovaj mehanizam je zasad izveden samo iz strukturnih podataka i trenutno ne postoje mehanističke studije koje ga potvrđuju. Još uvijek nije poznato kako se aktiviraju TIR-NLR proteini. Nedavna istraživanja sugeriraju da oni zahtijevaju CC-NLR proteine nizvodno od sebe, koji se potom aktiviraju, formiraju resistozome i indukuju HR.
NLR parovi i mreže Poznato je da NLR proteini mogu djelovati individualno, ali postoje i slučajevi kada NLR proteini funkcionišu u parovima. Par se sastoji od senzora NLR i pomoćnog NLR proteina. Senzor NLR prepoznaje efektorski protein koji luči patogen i aktivira pomoćni NLR, koji potom izvršava ćelijsku smrt. Geni oba proteina, senzora i odgovarajućeg pomoćnog NLR-a, obično su upareni u genomu, a njihova ekspresija može biti regulisana istim promotorom. Ovo omogućava da funkcionalni par, umjesto pojedinačnih komponenti, bude pravilno raspoređen tokom ćelijske diobe, te osigurava proizvodnju jednakih količina oba NLR proteina u ćeliji.
Parovi receptora funkcionišu kroz dva glavna mehanizma: negativnu regulaciju ili saradnju.
U scenariju negativne regulacije, senzor NLR je odgovoran za inhibiciju pomoćnog NLR-a i sprečavanje ćelijske smrti pod normalnim uslovima. Međutim, kada se efektorski protein unese i prepozna od strane senzora NLR, inhibicija pomoćnog NLR-a se ukida i dolazi do indukcije HR-a.
U mehanizmu saradnje, kada senzor NLR prepozna efektorski protein, on šalje signal pomoćnom NLR-u, čime ga aktivira.
Nedavno je otkriveno da biljni NLR proteini, osim što djeluju kao pojedinačni (singleton) ili u parovima, mogu djelovati i u mrežama. U ovim mrežama obično postoji mnogo senzorskih NLR proteina koji su povezani s relativno malim brojem pomoćnih NLR proteina. mini|NLR Singleton, Pair i Network Jedan primjer proteina uključenih u NLR mreže su oni koji pripadaju NRC superkladi. Čini se da su mreže evoluirale iz duplikacionog događaja genetski povezanog para NLR proteina u nepovezani lokus, što je omogućilo novom paru da evoluira kako bi odgovorio na novog patogena. Ova separacija pruža plastičnost sistema, jer senzorski NLR proteini mogu brže evoluirati u odgovoru na brzu evoluciju efektorskih proteina patogena, dok pomoćni NLR proteini evoluiraju sporije kako bi održali svoju sposobnost indukcije HR-a. Međutim, tokom evolucije su se čini se pojavili i novi pomoćni NLR proteini, vjerovatno zato što određeni senzorski NLR-i zahtijevaju specifične pomoćne NLR-e za optimalno funkcionisanje.
Bioinformatička analiza biljnih NLR proteina pokazala je da postoji konzervirani MADA motiv na N-terminalnom dijelu pomoćnih NLR proteina, dok ga senzorski NLR proteini nemaju. Otprilike 20% svih CC-NLR proteina sadrži MADA motiv, što ukazuje na njegovu važnost u izvršavanju HR-a.
Regulacija Slučajna aktivacija HR-a putem NLR proteina mogla bi izazvati ogromna oštećenja biljnog tkiva. Zbog toga se NLR proteini održavaju u neaktivnom obliku kroz strogu negativnu regulaciju na nivou transkripcije i post-translacijskih modifikacija. Pod normalnim uvjetima, mRNK NLR proteina se transkribuje na vrlo niskim nivoima, što rezultira malim količinama proteina u ćeliji. NLR proteini također zahtijevaju značajan broj šaperon proteina za pravilno savijanje (folding). Neispravno savijeni proteini se odmah ubikuitiniraju i razgrađuju putem proteasoma. U mnogim slučajevima je uočeno da, ako se šaperon proteini uključeni u sintezu NLR-a deaktiviraju (knock-out), HR se ne odvija, a nivo NLR proteina u ćeliji je značajno smanjen. mini|Struktura domena tipičnog NLR-a biljke Intramolekularne interakcije su također ključne za regulaciju HR-a. NLR proteini nisu linearni: NB-ARC domen je smješten između LRR i TIR/CC domena. Pod normalnim uslovima, u citoplazmi je prisutno znatno više ATP-a nego ADP-a, a ova organizacija NLR proteina sprječava spontanu zamjenu ADP-a za ATP, čime se onemogućava aktivacija HR-a. Zamjena ADP-a za ATP se dešava tek kada se detektuje faktor virulentnosti.
Mutacije u određenim komponentama biljnog odbrambenog sistema dovode do aktivacije HR-a bez prisustva efektorskih proteina patogena. Neke od ovih mutacija se javljaju u NLR genima i uzrokuju da ti NLR proteini postanu automatski aktivni zbog narušenih intramolekularnih regulatornih mehanizama. Druge mutacije koje izazivaju spontani HR prisutne su u proteinima uključenim u proizvodnju reaktivnih kisikovih vrsta tokom invazije patogena.
HR je također proces osjetljiv na temperaturu, a u mnogim slučajevima je uočeno da interakcije između biljke i patogena ne induciraju HR na temperaturama iznad 30 °C, što posljedično dovodi do povećane osjetljivosti biljke na patogen. Mehanizmi putem kojih temperatura utiče na otpornost biljaka prema patogenima nisu detaljno istraženi, ali istraživanja sugeriraju da nivo proteina NLR može biti važan u ovoj regulaciji. Također se pretpostavlja da na višim temperaturama NLR proteini manje vjerovatno formiraju oligomerni kompleks, čime se inhibira njihova sposobnost da indukuju HR.
Također je pokazano da HR zavisi od svjetlosnih uslova, što bi moglo biti povezano s aktivnošću hloroplasta, odnosno njihovom sposobnošću da proizvode ROS.
Medijatori Pokazano je da je nekoliko enzima uključeno u proizvodnju ROS-a. Na primjer, bakar-amin oksidaza katalizira oksidativnu deaminaciju poliamina, posebno putrescina, i oslobađa medijatore ROS-a, vodik-peroksid i amonijak. Ostali enzimi za koje se smatra da učestvuju u proizvodnji ROS-a uključuju ksantin oksidazu, NADPH oksidazu, oksalat oksidazu, peroksidaze i flavin-sadržeće amin oksidaze.
U nekim slučajevima, ćelije koje okružuju leziju sintetizuju antimikrobne spojeve, uključujući fenole, fitoaleksine i proteine povezane s patogenezom (PR), među kojima su i β-glukanaze i hitinaze. Ovi spojevi mogu djelovati tako što probijaju ćelijske zidove bakterija, usporavaju rast, ometaju metabolizam ili sprječavaju razmnožavanje odgovarajućeg patogena.