Decoy substrates for pathogen proteases mediate innate immunity via a shared receptor in Arabidopsis

Abstract

Pathogens and their host organisms are in an ever ongoing evolutionary arms race, wherein the survival of either is detrimental to the other. Driven by forces of selection, pathogens have evolved ingenious strategies to invade the host and compromise its defenses. The host, in turn, has co-evolved an intricate immune system to detect attacking pathogens and defend the organism in a timely manner. This war of attrition is primarily fought out in the extracellular space and takes place on the level of proteins and cells. Extracellular proteases, secreted by pathogens during attack, are known virulence factors. We found that various extracellular proteases from human and plant pathogens are highly immunogenic in the model plant Arabidopsis thaliana. Their perception shares a common mechanism that depends on their catalytic activity. It involves the secretion of decoy substrates by the plant cell, whose specific processing by pathogen proteases releases danger-signaling peptides of a shared active motif into the extracellular space. Precursors of these danger-signaling peptides form a superfamily of pro-peptides. Their active motif is perceived by a single cell surface-localized immune receptor. Using the example of the plant pathogenic bacterium and agricultural pest Xanthomonas arboricola pv. pruni, we demonstrate that specific perception of a single extracellular pathogen proteases is sufficient to prevent establishment of infection. Our results furthermore suggest not only the possibility to transfer the perception system to different host species, but also to design synthetic decoy substrates for yet unperceived proteases from pathogens of interest.

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 30. April 2025 !

Pathogene und ihre Wirte befinden sich in einem immer-währenden evolutionären Wettrüsten, in welchem das Überleben des Einen den Schaden des Anderen bedingt. Pathogene haben raffinierte Strategien entwickelt, die es ihnen erlauben, ihre Wirte erfolgreich zu infizieren. Der Wirt hat im Gegenzug ein komplexes Immunsystem entwickelt, welches dazu dient, angreifende Pathogene rechtzeitig zu erkennen und sich gegen diese zur Wehr zu setzen. Dieser Zermürbungskrieg wird primär im extrazellulären Raum auf Ebene der Proteine und Zellen ausgefochten. Proteasen, welche von Pathogenen im Laufe der Infektion in den extrazellulären Raum sekretiert werden, sind bekannte Virulenzfaktoren. Wir haben herausgefunden, dass verschiedene Proteasen von Menschen- und Pflanzen-Pathogenen Immunantworten in der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana auslösen. Ihre Erkennung beruht auf einem gemeinsamen Mechanismus, der von der katalytischen Aktivität der Proteasen abhängt. Die Pflanze sekretiert Köder-Substrate, die spezifisch durch Pathogen-Proteasen geschnitten werden, und dadurch Gefahr-signalisierende Peptide in den extrazellulären Raum freisetzen. Vorstufen dieser Peptide gehören zu einer großen Familie von Pro-Peptiden. Ihr immunogenes Peptid-Motif wird durch einen Plasmamembran-lokalisierten Immunrezeptor erkannt. Anhand des Beispiels des pflanzenpathogenen Bakteriums Xanthomonas arboricola pv. pruni demonstrieren wir, dass die spezifische Erkennung einer einzelnen Pathogen-Protease ausreicht, um die Infektion der Pflanze zu verhindern. Darüber hinaus suggerieren unsere Ergebnisse sowohl die Möglichkeit, dieses Erkennungs-System auf andere Spezies zu übertragen, als auch artifizielle Köder-Proteine nach Bedarf für anderweitig nicht erkannte Pathogen-Proteasen zu generieren.