10月6日，我校生命科學(xué)學(xué)院王水研究員團(tuán)隊(duì)在Genome Biology發(fā)表了題為“A nucleoporin-associated signaling cascade controls plant immunity via histone modification”的研究論文。該文通過(guò)遺傳學(xué)、分子生物學(xué)與表觀(guān)遺傳學(xué)結(jié)合的方法，系統(tǒng)解析了一條以核孔蛋白CPR5/GBPL3為核心的信號(hào)級(jí)聯(lián)通路，揭示了“核孔運(yùn)輸–RNA加工–組蛋白修飾”協(xié)同調(diào)控植物免疫核心轉(zhuǎn)錄因子 SARD1/CBP60g 基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制，填補(bǔ)了從免疫受體激活到關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)調(diào)控之間的關(guān)鍵空白。

植物如何抵抗病害？通常植物通過(guò)兩層先天免疫系統(tǒng)抵御病原微生物入侵：由細(xì)胞表面受體PRR介導(dǎo)的PTI，以及由細(xì)胞內(nèi)受體NLR介導(dǎo)的ETI。無(wú)論是PRR還是NLR的激活，都會(huì)引發(fā)植物基因組層面的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄重編程。CBP60家族的兩個(gè)功能冗余的轉(zhuǎn)錄因子SARD1和CBP60g是這一過(guò)程的核心調(diào)控因子。近年研究發(fā)現(xiàn)，激活后的NLR可寡聚化形成鈣離子通道，而CBP60家族作為鈣信號(hào)感知元件可能參與解碼此類(lèi)信號(hào)。因此，SARD1/CBP60g是免疫受體PRR/NLR下游激活植物免疫反應(yīng)的核心因子。然而，SARD1和CBP60g基因自身的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍不清楚，成為理解植物免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵缺失環(huán)節(jié)。

核孔復(fù)合體（NPC）是核質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵通道。RNA結(jié)合蛋白CPR5是植物NPC的一個(gè)組分，在病原微生物侵染后可被激活的NLR誘導(dǎo)發(fā)生構(gòu)象變化，由寡聚體轉(zhuǎn)為單體，從而促進(jìn)免疫信號(hào)核質(zhì)運(yùn)輸并激活ETI。最近發(fā)現(xiàn)，CPR5通過(guò)GBP（GTP結(jié)合蛋白）家族的GBPL3調(diào)控植物免疫。在哺乳動(dòng)物中，干擾素誘導(dǎo)的GBP是調(diào)控細(xì)胞自主性先天免疫的關(guān)鍵因子。GBPL3也是植物NPC的一個(gè)組分，可與組蛋白修飾因子PRC2形成復(fù)合體，并能直接結(jié)合SARD1 和 CBP60g基因 。因此，核孔蛋白CPR5/GBPL3可能通過(guò)組蛋白修飾調(diào)控SARD1 和 CBP60g基因的轉(zhuǎn)錄。

核心發(fā)現(xiàn)一：核孔不只是 “通道”，更是 “信號(hào)樞紐”

之前的遺傳分析表明CPR5通過(guò)RNA加工復(fù)合體NTC和CPSF調(diào)控植物免疫。PRL1和FIP1分別是NTC和CPSF復(fù)合體的核心因子。該文進(jìn)一步篩選prl1 fip1雙突變體的回復(fù)子spaf（suppressor of prl1 and fip1）（圖1A）。通過(guò)DNA-seq分析以及基因互補(bǔ)驗(yàn)證，鑒定出四個(gè)關(guān)鍵SPAF基因：DRC2、JMJ14、YAF9A和 ICU11，它們都編碼與組蛋白修飾相關(guān)的蛋白。引人注目的是，這些蛋白均為已知的GBPL3復(fù)合體組分（圖1B）。后續(xù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，GBPL3本身亦為SPAF因子。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)GBPL3介導(dǎo)擬南芥GBP家族另一個(gè)成員GBPL2調(diào)控CPR5免疫信號(hào)途徑。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些組蛋白修飾因子與核孔蛋白CPR5、GBPL3及RNA加工因子NTC/CPSF共同構(gòu)成一個(gè)超大復(fù)合體——將其命名為“植物CPR5免疫信號(hào)模塊（Plant CPR5 Immune Signaling Module，PRISM）”。通過(guò)酵母雙雜交、BiFC、Co-IP等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了PRISM各組分間的相互作用。該復(fù)合體主要定位于核膜和核斑點(diǎn)，是連接核孔運(yùn)輸與表觀(guān)調(diào)控的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖1C）。

圖1. PRISM復(fù)合體成員之間的遺傳關(guān)系和蛋白互作。（A）prl1 fip1雙突變體的EMS誘變和回復(fù)子spaf（suppressor of prl1 and fip1）篩選。（B） 火山圖展示以GBPL3為誘餌，通過(guò)Proximity labeling proteomics技術(shù)純化的GBPL3復(fù)合體候選蛋白。（C）YFP的雙分子熒光互補(bǔ)（BiFC-YFP）分析。mCherry-NLS作為細(xì)胞核定位標(biāo)記。

核心發(fā)現(xiàn)二：植物免疫“剎車(chē)”的信號(hào)鏈——核孔蛋白為中心的超級(jí)復(fù)合體PRISM通過(guò)組蛋白修飾抑制 SARD1和CBP60g 基因的轉(zhuǎn)錄

RNA-seq分析顯示，多個(gè)系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）核心調(diào)控因子（如CBP60g、FMO1、ICS1、SARD1和SARD4）的表達(dá)受CPR5-NTC/CPSF信號(hào)鏈調(diào)控。采用CRISPR/Cas9技術(shù)在 cpr5突變體背景中敲除這些因子的基因。在cpr5突變體中，防御相關(guān)基因PR1與PR2表達(dá)顯著上升，而在引入sard1 cbp60g雙突變后，該表型被完全抑制（圖2A）。AraENCODE數(shù)據(jù)顯示，無(wú)病原侵染時(shí)，SARD1/CBP60g位點(diǎn)受抑制型組蛋白修飾H3K27me3（圖2B）；侵染后，NLR激活導(dǎo)致CPR5構(gòu)象變化，釋放PRISM中的NTC/CPSF及CKIs，削弱GBPL3與組蛋白修飾因子對(duì)SARD1/CBP60g的結(jié)合，從而增強(qiáng)H3K4me3修飾，激活轉(zhuǎn)錄。ChIP-seq分析揭示，cpr5突變體中激活型組蛋白修飾H3K4me3水平升高，該現(xiàn)象在cpr5 prl1 fip1中被逆轉(zhuǎn)，而在cpr5 prl1 fip1 jmj14中再次上升（圖2C-2D）。GO分析表明，受CPR5-NTC/CPSF-GBPL3/SPAFs信號(hào)鏈調(diào)控的H3K4me3修飾基因顯著富集于免疫信號(hào)通路，包括SARD1與CBP60g。病原菌侵染促進(jìn)PRISM結(jié)合SARD1/CBP60g基因并伴隨H3K4me3修飾上升。這些發(fā)現(xiàn)揭示PRISM復(fù)合體形成一個(gè)“核孔蛋白-RNA加工-組蛋白修飾”的核心信號(hào)鏈，通過(guò)組蛋白修飾調(diào)控SARD1和CBP60g基因的轉(zhuǎn)錄，從而激活植物免疫相關(guān)的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄重編程。

圖2. PRISM通過(guò)SARD1和CBP60g調(diào)控植物免疫反應(yīng)。（A）qRT-PCR分析，以ACT2作為內(nèi)參基因。（B）RNA-seq與ChIP-seq分析：ACT2、SARD1和CBP60g基因，數(shù)據(jù)來(lái)源于A(yíng)raENCODE數(shù)據(jù)庫(kù)。（C）Metaplots（上圖）和Heatmaps （下圖）：H3K4me3 ChIP-seq信號(hào)分布。（D）Genome browser圖：SARD1和CBP60g基因上的H3K4me3 ChIP-seq信號(hào)分布。

綜上所述，該文的研究不僅揭示了核孔蛋白在表觀(guān)遺傳調(diào)控中的新功能，更首次將核孔運(yùn)輸—RNA加工—組蛋白修飾—免疫轉(zhuǎn)錄串聯(lián)成一條完整的信號(hào)鏈，為理解植物免疫調(diào)控提供了全新的分子基礎(chǔ)（圖3）。在應(yīng)用層面，CPR5、GBPL3等負(fù)調(diào)控因子成為理想的抗病育種靶點(diǎn)。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控這些因子，有望在不犧牲作物產(chǎn)量的前提下，增強(qiáng)其廣譜抗病性，為綠色農(nóng)業(yè)提供新策略。

圖3. CPR5-RNA加工復(fù)合體-GBPL3/組蛋白修飾復(fù)合體信號(hào)鏈調(diào)控植物免疫的模型

上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王水研究員為通訊作者，研究生潘鐳文、彭順、張悅慧和常歡為共同第一作者。本科生楊奕、研究生郭東北、郭緣、韓雅坤、毛婷和黃羽辰參與該論文的研究。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（32270290）和上海植物種質(zhì)資源工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（17DZ2252700）的資助。

王水實(shí)驗(yàn)室照片（從左至右）張悅慧、徐峰輝、潘鐳文、王水、蔡心一

（供稿、攝影：生命科學(xué)學(xué)院）