植物NBS-LRRタンパク質は数が多く、起源が古い。 植物で知られている最大の遺伝子ファミリーの1つによってコードされている。 シロイヌナズナには約150のNBS-LRRをコードする遺伝子があり、オリザ・サティバには400以上、そしてまだ完全に配列が決定されていない大きな植物ゲノムにはおそらくもっと多くのNBS-LRRをコードする遺伝子がある。 NBSドメイン内の保存された配列に基づいたdegenerateプライマーを用いたPCRにより、多くのNBSコード配列が多様な植物種から増幅され、現在1,600以上のNBS配列が公開データベース上に存在する（追加データファイル1）。 NBSは被子植物だけでなく非維管束植物や裸子植物にも存在するが、系統特異的な遺伝子の重複や消失により、その相同関係を明らかにすることは困難である。 いくつかの系統では、NBS-LRRをコードする遺伝子が増幅され、ファミリー特有のサブファミリーを形成している（図2；Additional data file 1）。 シロイヌナズナの150のNBS-LRR配列のうち、62のNBS領域は他のどのブラシカ配列よりも互いに類似している（図2；追加データファイル2）。 マメ科（豆を含む）、ナス科（トマト、ジャガイモを含む）、キク科（ヒマワリ、レタスを含む）では、異なるサブファミリーが増幅されている。
NBS配列のファミリー特異的増幅を示す近接結合木。 (a)TNLs。 (b)CNL。 完全な木は1,600の配列に基づいていた（個々の配列と使用したアラインメントを含む拡張木は、追加データファイル1および2を参照）。 個々の植物科の配列を含むクレードは1本の枝に畳まれ、各枝の配列数が示されている。 異なる分類群には異なる色を付け、複数の科からの代表者を持つクレードは黒で示した。
NBS-LRRをコードする遺伝子はゲノム上で頻繁にクラスター化し、セグメント重複とタンデム重複の両方の結果である。 クラスター内では不均等なクロスオーバーが起こるため、コピー数には種内変動が大きくなることがある。 NBS-LRRをコードする遺伝子は、種間および種内変異が多いが、突然変異や組換えは多くない。 NBS-LRR-encoding遺伝子の進化の速度は、類似配列の個々のクラスター内でも、速い場合と遅い場合がある。 例えば、レタスのNBS-LRRコード遺伝子の主要なクラスターには、2つの進化パターンを持つ遺伝子が含まれている：タイプI遺伝子はそれらの間で頻繁に遺伝子変換を行いながら急速に進化するのに対し、タイプII遺伝子はクレード間で稀に遺伝子変換イベントを行いながらゆっくりと進化する。 この不均質な進化速度は、R遺伝子進化の生滅モデルと一致する。このモデルでは、遺伝子の重複と不均等な交叉が、ハプロタイプに作用する密度依存の純化選択によって続き、その結果、半独立的に進化するR遺伝子群の数が変化することになる。 NBSドメインは純化選択を受けているようであるが、頻繁に遺伝子変換が起こるわけではなく、一方、LRR領域は非常に変化しやすい傾向がある。 LRRドメインのβシートの溶媒露出残基の変異は、非同義置換と同義置換の比率が著しく高いことからわかるように、多様化選択によって維持されている（下記参照）。 不均等な交叉や遺伝子変換によりLRRの数や位置が変化し、βシート間の領域ではフレーム内挿入や欠失により個々のβシートの向きが変化したと思われる。 植物NBS-LRRタンパク質には2つの大きなサブファミリーがあり、アミノ末端ドメインにToll/interleukin-1 receptor（TIR）またはcoiled-coil（CC）モチーフがあるかどうかで定義されている（図1）。 TIR-NBS-LRRタンパク質（TNL）とCC-NBS-LRRタンパク質（CNL）はともに病原体の認識に関与しているが、この2つのサブファミリーは配列的にもシグナル伝達経路的にも異なっており（下記参照）、NBSドメインを用いた系統解析では別々にクラスター化している（追加データファイル2参照）。 TNLは穀類には全く存在しないことから、初期の被子植物の祖先はTNLをほとんど持たず、穀類の系統で失われたことが示唆されている。 基部の単子葉植物におけるTNLの有無は、現在のところ不明である。 単子葉植物と双子葉植物のCNLは一緒に集まっており、被子植物の祖先は複数のCNLを持っていたことがわかる（図2）。
また、TNLまたはCNLサブファミリーに関連するがドメインが完全に揃っていないタンパク質がシロイヌナズナに58個存在する． この中には、アミノ末端とNBSドメインを持つがLRRドメインを持たないTIR-NBS（TN）タンパク質21種とCC-NBS（CN）タンパク質5種が含まれる。
構造的特徴
NBS-LRR タンパク質は植物で知られている最も大きなタンパク質で、約 860 から約 1,900 アミノ酸の範囲にある。 アミノ末端可変ドメイン、NBSドメイン、LRR領域、カルボキシ末端可変ドメインという少なくとも4つの異なるドメインがリンカー領域で結合されている（図1）。 シロイヌナズナでは、配列の相同性、モチーフ、イントロンの位置、イントロンの位相などから、4つのCNLサブファミリーと8つのTNLサブファミリーが同定された . 植物NBS-LRRタンパク質のどの部分についても結晶構造は決定されていない。しかし、哺乳類のNBSとLRRドメインの結晶構造は、相同性モデリングアプローチのテンプレートとして利用可能である。 動物ではTIRドメインはToll様受容体の下流でシグナル伝達に関与している。 植物のNBS-LRRタンパク質の多くは、病原体の病原性エフェクターの標的（「ガード」）の状態を監視していると考えられている（下記参照）。 TIRまたはCCモチーフの存在とこれらのドメインの多様性から、アミノ末端はタンパク質間相互作用に関与していると考えられ、おそらくガードされているタンパク質または下流のシグナル伝達成分と相互作用していると思われる。 亜麻のTNLタンパク質L6のTIRドメインの多型は、病原体認識の特異性に影響を与える。 タンパク質の安定性に関与すると思われるアラニン-ポリセリンモチーフは、シロイヌナズナの多くのTNL（CNLではない）のアミノ末端メチオニンのすぐ隣に位置している。 TNLのTIRドメイン内には175アミノ酸に渡って4つの保存されたTIRモチーフが存在する。 CCモチーフは、CNLのNBSのアミノ末端の175アミノ酸に共通して存在するが、常に存在するわけではない。 NBSドメインはNB-ARC（NOD-LRRタンパク質、APAF-1、Rタンパク質、CED4が共有するヌクレオチド結合アダプター）ドメインとも呼ばれ、NBSドメインの構造および機能についてはより多くのことが知られている。 このドメインは、哺乳類のNODタンパク質を含む「多数のドメインを持つシグナル伝達ATPase」（STAND）ファミリーの特徴であるいくつかの定義されたモチーフを含んでいる。 STANDタンパク質は、病気のシグナル伝達経路の分子スイッチとして機能する。 トマトの2つのCNL、I2およびMiのNBSドメインには、ATPの特異的な結合と加水分解が確認されている。 ATPの加水分解は、下流のシグナル伝達を制御する構造変化をもたらすと考えられている。 哺乳類のNODタンパク質からのシグナル伝達において重要なイベントであるNBS-LRRタンパク質のオリゴマー化の最初の報告は、タバコNタンパク質（TNL）が病原菌のエリシターに応答してオリゴマー化することであった。 シロイヌナズナでは、モチーフ同定プログラムMEMEを用いた解析により、8つの保存されたNBSモチーフが同定されている。 TNLとCNLのNBSドメインは、その中にある3つの抵抗性NBS（RNBS）モチーフ（RNBS-A、RNBS-C、RNBS-Dモチーフ；追加データファイル3参照）の配列によって区別される。
植物のNBSドメインをヒトAPAF-1の結晶構造に通すと、植物のNBSドメインに保存されているモチーフの空間配置と機能に関して有益な知見が得られる (Figure 3) 。 APAF-1のヌクレオチド結合ドメインは、3層のα/βサブドメイン（アンカー領域を含む）、ヘリカルサブドメイン（キナーゼ2モチーフとPループを含む）、翼状ヘリックスサブドメイン（MHDVモチーフを含む；図3）から構成されています。 ヒトAPAF-1によるADPの特異的結合は、合計8つの直接水素結合と4つの水を介した水素結合によって達成される。らせん状サブドメインのP-ループ部分はADPのα-およびβ-リン酸と相互作用し、翼状らせんサブドメインのヒスチジンおよびセリン残留物はADPのリン酸および糖と相互作用し、α/βサブドメインの小さなアンカー領域はアデニン塩基を安定化している．
NBSドメインの予測される構造。 シロイヌナズナのTNL RPS4とCNL RPS5のNBSドメインの構造モデルは、自己無撞着平均場ホモロジーモデリング法を用いて、ADP非存在下で作成された。 ADPはAPAF-1-ADP複合体からの推論により、保存されたモチーフに対するヌクレオチドの位置を示すために、モデルをさらに精密化することなく2つのNBSモデルに追加された。 (a)RPS4とRPS5のNBSドメインの構造で、保存されたモチーフの位置を示している。 タンパク質構造はリボン図、ADPは棒状モデルで示した。 TIR型とCC型のNBSドメインは、アミノ末端から順に、P-loop（またはウォーカーAサイト、青）；RNBS-A（緑）；キナーゼ-2（またはウォーカーBサイト、マゼンタ）；RNBS-B（緑）；RNBS-C（緑）；GLPL（黄色）；RNBS-D（緑）；MHDV（オレンジ）のモチーフから構成されている。 (b) ヒトAPAF-1（PDBコード1z6tA）、シロイヌナズナRPS4、RPS5の結合部位で、ADPとATPと相互作用する残基を示す。 3つのタンパク質におけるADPの配位には、3つの異なる保存されたモチーフが関与している。 NBSドメインのアミノ末端の小さなアンカー領域はADPまたはATPのアデニンを、Pループはα-およびβ-リン酸を、MHDVモチーフ（APAF-1の翼状螺旋サブドメイン）はADPの糖またはβ-リン酸を配位させる。 キナーゼ-2モチーフからの2つの末端アスパラギン酸は、ATPのγ-リン酸が座るであろうポケットに位置している。 画像は、PyMol .
ADPへの結合ポケットと結合パターンは、TNL（シロイヌナズナ蛋白質RPS4によって例示される）とCNL（シロイヌナズナ蛋白質RPS5によって例示される；図3）の糸状モデルにおいてよく保存されている（およびP.K.、未発表の研究）。 TNLのNBSドメインには、CNLのNBSドメインには存在しないループが追加されている。 TNLとCNLは、触媒溝周辺に、ADP分子を方向付ける役割を果たすPループ、アンカー領域、MHDVモチーフ（特にヒスチジン残基）、GLPLモチーフ（MHDVとGLPLモチーフは1文字コードで構成アミノ酸から名付けられた）の4つの保存モチーフを有している。 ヒトAPAF-1ではADPとGLPLモチーフの間に明らかな接触は見られないが、APAF-1、RPS4、RPS5では結合部位の上部に位置することが保存されており、ADPとの結合に関与している可能性が示唆される。 さらに、キナーゼ-2モチーフの最後の2つのアスパラギン酸は、ATPの3番目のリン酸と相互作用する位置にあり、リン酸転移反応に必要な二価の金属イオン、例えばMg-ATPのMg2+に対する配位の役割と一致する（図3）。 APAF-1のα/βサブドメインにあるVal-Thr-Argという配列からなるアンカー領域は、RSP4ではPhe-Gly-Asnとして、RPS5ではVal-Gly-Glnとして存在する。 このアンカー領域は、疎水性（ValまたはPhe）、低分子（GlyまたはThr）、極性（Arg、AsnまたはGln）アミノ酸からなり、これまで認識されていなかったが、植物のNBS-LRRタンパク質では高度に保存されている（Additional data file 3参照）。 ジャガイモRx（Asp460Val）とトマトI2（Asp495Val）の2つのCNLの自動活性化変異は、MHDVモチーフのヒスチジンの隣にマッピングされている。これらの変異は、ADPのβ-リン酸の結合を妨害し、より開いた構造をもたらすと考えられる
LRRドメイン
LRRドメインは、ウイルスから真核生物まで2000以上のタンパク質に見られる共通のモチーフで、タンパク質間相互作用やリガンド結合に関与している． 20種類以上のLRRタンパク質の結晶構造から、LRRドメインは馬蹄形やバナナのような凹面を形成する一連のβ-シートを含むことが特徴的であることが明らかになった。 しかし、LRRタンパク質の4次構造については、あまり知られていない。 少なくとも3種類の二量体が観察されており、凹面または凸面の相互作用、あるいは界面の反平行βシートが関与する連結によって、二量体が形成されることが知られている。 シロイヌナズナのRPS5のLRRドメインを、LRRからなるタンパク質のコアを持つ小RRプロテオグリカン（SLRP）ファミリーの一員であるウシデコリンタンパク質の結晶構造上に通すと、βシートが馬蹄形に曲がった表面と一致するモデルが得られた（図4；P. K., unpublished work）。 シロイヌナズナのTNLとCNLにおけるLRRドメインの繰り返し数は同程度（平均14、範囲8〜25）であるが、他の種ではこの数はかなり多くなる可能性がある。 Dm3のようなレタスCNL抵抗性遺伝子候補2（RGC2）タンパク質では、LRRドメインが重複しており、合計で47ものLRRがあるようである． 各LRRは、β-シートを形成するLeu-xx-Leu-xx-Leu-x-Leu-xx-Cys/Asn-xxモチーフ（ここでxは任意のアミノ酸）を含む約26アミノ酸のコアからなり、それぞれのコア領域は、0から30アミノ酸の間で変化する長さのセクションによって区切られている。 多くのNBS-LRRタンパク質では、溶媒にさらされる残基（上記のコンセンサス配列ではxで示されている）が、同義置換に対する非同義置換の比率が著しく高く、多様化する選択によってこれらの位置の変異が維持されていることが示されている。 LRRドメインはいくつかのRタンパク質（例えば）の認識特異性の決定に関与しているが、病原体タンパク質との直接的な相互作用はほとんど示されていない。
Arabidopsis RPS5のLRRドメインとbovine decorin（PDBコード1xku）をつないで得られたLRRドメインの予測構造である。 (a) PyMolを用いて作成したRPS5のLRRドメインの予測構造を漫画で表したもの。 馬蹄形」の凹面を形成するβシートは矢印で示されている。 保存された脂肪族残基は青色で示されている。 Nはアミノ末端、Cはカルボキシル末端。 (b) デコリンの12個のロイシンリッチリピートとRPS5の13個のリピート、およびアミノ末端9アミノ酸のアライメント。 720>
LRRドメインは主に分子内相互作用の調節に関与していると考えられる。 ジャガイモのCNL RxのLRRドメインはトランスで発現してもNBSドメインと相互作用する。この相互作用は、宿主防御反応を誘導するウイルスのコートタンパク質であるジャガイモウイルスXエリシターによって破壊される。 また、βシートの内側の凹面が唯一の結合面ではない可能性もある。 ヒトのToll様受容体であるTLR3のLRRドメインはヘテロダイマーを形成し、βシートとは反対側のループ状の表面に対して病原体からの二本鎖RNAを結合すると予測されている。
MEMEを用いた解析により、シロイヌナズナのTNLとCNLのLRRドメイン間に共通のモチーフをほとんど見出すことができた。 3番目のLRRは保存されたモチーフを含む数少ないものの1つであった。 CNL RPS5のこのLRRに変異があると、複数のNBS-LRRタンパク質に対してエピスタティックな阻害作用を示すことから、このLRRは下流のシグナル伝達成分と相互作用している可能性が示唆される。
The carboxyl termini
CNLs and TNLsはそのカルボキシ端ドメインのサイズと構成において顕著に異なっている。 TNLはCNLに比べ、より大きく、より多様である。 CNLは通常LRRドメインから40-80アミノ酸のカルボキシ末端を持つだけであるが、TNLのカルボキシ末端はしばしば200-300アミノ酸を持ち、LRRドメインのサイズと同じである。 いくつかのTNLは他のタンパク質に類似した拡張部を持っている 。 シロイヌナズナの大きなTNLの一つであるRRS1は、感染に反応して核に局在するようになるが、核局在シグナルとWRKYモチーフ（亜鉛フィンガー転写因子にも見られるモチーフで、Trp-Arg-Lys-Tyrの配列を含む）をカルボキシル末端に持つ1388アミノ酸のタンパク質をコードする.
.TNLは、核局在シグナルとWRKYモチーフ（Zf転写因子には見られない）を持つ。