Hipersenzitivna reakcija

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. 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.

## 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. 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.

## Sistemski imunitet 
Pokazano je da lokalna aktivacija HR-a kao odgovor na određene nekrotrofne patogene omogućava biljkama da razviju sistemski imunitet protiv patogena. Naučnici pokušavaju iskoristiti sposobnost HR-a da inducira sistemsku otpornost u biljkama kako bi stvorili transgene biljke otporne na određene patogene. Promotori inducirani prisustvom patogena povezani su s autoaktivnim NLR genima kako bi inducirali HR odgovor samo kada je patogen prisutan, a ne u drugim trenutcima. Međutim, ovaj pristup je u velikoj mjeri neizvodiv jer modifikacija također dovodi do značajnog smanjenja prinosa biljaka.

Ova je opservacija dovela do hipoteze da biljni patogeni mogu doprinositi specijaciji biljaka, ako biljne populacije iste vrste razviju nespojive NLR-e kao odgovor na različite efektore patogena, to može dovesti do hibridne nekroze u F1 potomcima, što značajno smanjuje njihovu vitalnost i protok gena prema narednim generacijama.

## Poređenje sa urođenim imunitetom životinja 
I biljke i životinje posjeduju NLR proteine koji imaju sličnu biološku funkciju, induciranje ćelijske smrti. N-termini biljnih i životinjskih NLR-a se razlikuju, ali čini se da oba imaju LRR domene na C-terminusu.

Velika razlika između životinjskih i biljnih NLR-a ogleda se u tome što oni prepoznaju. Životinjski NLR-i uglavnom prepoznaju molekularne obrasce povezane s patogenima (PAMP-ove), dok biljni NLR-i većinom prepoznaju efektorske proteine patogena. To ima smisla jer se NLR-i nalaze unutar ćelije, a biljke rijetko imaju intracelularne patogene, osim virusa, koji nemaju PAMP-ove jer se brzo razvijaju. Životinje, s druge strane, imaju intracelularne patogene.

Ogromna većina biljnih linija, osim određenih algi poput *Chlamydomonas*, posjeduje NLR-e. NLR-i su prisutni i u mnogim životinjskim vrstama, međutim, nisu prisutni, na primjer, kod *Drosophila melanogaster* i članova tipa Arthropoda. Biljne ćelije nemaju kaspaze.

## Također pogledaj 
* Otpornost na biljne bolesti
* Fitopatogen
* Biljni hormoni
* Sistemska stečena otpornost
* Antimikrobni peptid

## Reference 
Kategorija:Fiziologija biljaka
Kategorija:Imunološki sistem
Kategorija:Fitopatologija
Kategorija:Ćelijska smrt
Kategorija:Proteini NLR
Kategorija:Odbrambeni mehanizmi biljaka
Kategorija:Antimikrobni peptidi