生命科学学院王水研究员团队在Genome Biology发表最新研究成果

10月6日，我校生命科学学院王水研究员团队在Genome Biology发表了题为“A nucleoporin-associated signaling cascade controls plant immunity via histone modification”的研究论文。该文通过遗传学、分子生物学与表观遗传学结合的方法，系统解析了一条以核孔蛋白CPR5/GBPL3为核心的信号级联通路，揭示了“核孔运输–RNA加工–组蛋白修饰”协同调控植物免疫核心转录因子 SARD1/CBP60g 基因转录的分子机制，填补了从免疫受体激活到关键转录因子表达调控之间的关键空白。

植物如何抵抗病害？通常植物通过两层先天免疫系统抵御病原微生物入侵：由细胞表面受体PRR介导的PTI，以及由细胞内受体NLR介导的ETI。无论是PRR还是NLR的激活，都会引发植物基因组层面的大规模转录重编程。CBP60家族的两个功能冗余的转录因子SARD1和CBP60g是这一过程的核心调控因子。近年研究发现，激活后的NLR可寡聚化形成钙离子通道，而CBP60家族作为钙信号感知元件可能参与解码此类信号。因此，SARD1/CBP60g是免疫受体PRR/NLR下游激活植物免疫反应的核心因子。然而，SARD1和CBP60g基因自身的转录调控机制仍不清楚，成为理解植物免疫调控网络的关键缺失环节。

核孔复合体（NPC）是核质运输的关键通道。RNA结合蛋白CPR5是植物NPC的一个组分，在病原微生物侵染后可被激活的NLR诱导发生构象变化，由寡聚体转为单体，从而促进免疫信号核质运输并激活ETI。最近发现，CPR5通过GBP（GTP结合蛋白）家族的GBPL3调控植物免疫。在哺乳动物中，干扰素诱导的GBP是调控细胞自主性先天免疫的关键因子。GBPL3也是植物NPC的一个组分，可与组蛋白修饰因子PRC2形成复合体，并能直接结合SARD1 和 CBP60g基因 。因此，核孔蛋白CPR5/GBPL3可能通过组蛋白修饰调控SARD1 和 CBP60g基因的转录。

核心发现一：核孔不只是 “通道”，更是 “信号枢纽”

之前的遗传分析表明CPR5通过RNA加工复合体NTC和CPSF调控植物免疫。PRL1和FIP1分别是NTC和CPSF复合体的核心因子。该文进一步筛选prl1 fip1双突变体的回复子spaf（suppressor of prl1 and fip1）（图1A）。通过DNA-seq分析以及基因互补验证，鉴定出四个关键SPAF基因：DRC2、JMJ14、YAF9A和 ICU11，它们都编码与组蛋白修饰相关的蛋白。引人注目的是，这些蛋白均为已知的GBPL3复合体组分（图1B）。后续实验证实，GBPL3本身亦为SPAF因子。同时，该实验室也发现GBPL3介导拟南芥GBP家族另一个成员GBPL2调控CPR5免疫信号途径。进一步研究发现，这些组蛋白修饰因子与核孔蛋白CPR5、GBPL3及RNA加工因子NTC/CPSF共同构成一个超大复合体——将其命名为“植物CPR5免疫信号模块（Plant CPR5 Immune Signaling Module，PRISM）”。通过酵母双杂交、BiFC、Co-IP等实验，验证了PRISM各组分间的相互作用。该复合体主要定位于核膜和核斑点，是连接核孔运输与表观调控的关键结构基础（图1C）。

图1. PRISM复合体成员之间的遗传关系和蛋白互作。（A）prl1 fip1双突变体的EMS诱变和回复子spaf（suppressor of prl1 and fip1）筛选。（B） 火山图展示以GBPL3为诱饵，通过Proximity labeling proteomics技术纯化的GBPL3复合体候选蛋白。（C）YFP的双分子荧光互补（BiFC-YFP）分析。mCherry-NLS作为细胞核定位标记。

核心发现二：植物免疫“刹车”的信号链——核孔蛋白为中心的超级复合体PRISM通过组蛋白修饰抑制 SARD1和CBP60g 基因的转录

RNA-seq分析显示，多个系统获得性抗性（SAR）核心调控因子（如CBP60g、FMO1、ICS1、SARD1和SARD4）的表达受CPR5-NTC/CPSF信号链调控。采用CRISPR/Cas9技术在 cpr5突变体背景中敲除这些因子的基因。在cpr5突变体中，防御相关基因PR1与PR2表达显著上升，而在引入sard1 cbp60g双突变后，该表型被完全抑制（图2A）。AraENCODE数据显示，无病原侵染时，SARD1/CBP60g位点受抑制型组蛋白修饰H3K27me3（图2B）；侵染后，NLR激活导致CPR5构象变化，释放PRISM中的NTC/CPSF及CKIs，削弱GBPL3与组蛋白修饰因子对SARD1/CBP60g的结合，从而增强H3K4me3修饰，激活转录。ChIP-seq分析揭示，cpr5突变体中激活型组蛋白修饰H3K4me3水平升高，该现象在cpr5 prl1 fip1中被逆转，而在cpr5 prl1 fip1 jmj14中再次上升（图2C-2D）。GO分析表明，受CPR5-NTC/CPSF-GBPL3/SPAFs信号链调控的H3K4me3修饰基因显著富集于免疫信号通路，包括SARD1与CBP60g。病原菌侵染促进PRISM结合SARD1/CBP60g基因并伴随H3K4me3修饰上升。这些发现揭示PRISM复合体形成一个“核孔蛋白-RNA加工-组蛋白修饰”的核心信号链，通过组蛋白修饰调控SARD1和CBP60g基因的转录，从而激活植物免疫相关的大规模转录重编程。

图2. PRISM通过SARD1和CBP60g调控植物免疫反应。（A）qRT-PCR分析，以ACT2作为内参基因。（B）RNA-seq与ChIP-seq分析：ACT2、SARD1和CBP60g基因，数据来源于AraENCODE数据库。（C）Metaplots（上图）和Heatmaps （下图）：H3K4me3 ChIP-seq信号分布。（D）Genome browser图：SARD1和CBP60g基因上的H3K4me3 ChIP-seq信号分布。

综上所述，该文的研究不仅揭示了核孔蛋白在表观遗传调控中的新功能，更首次将核孔运输—RNA加工—组蛋白修饰—免疫转录串联成一条完整的信号链，为理解植物免疫调控提供了全新的分子基础（图3）。在应用层面，CPR5、GBPL3等负调控因子成为理想的抗病育种靶点。通过精准调控这些因子，有望在不牺牲作物产量的前提下，增强其广谱抗病性，为绿色农业提供新策略。

图3. CPR5-RNA加工复合体-GBPL3/组蛋白修饰复合体信号链调控植物免疫的模型

上海师范大学生命科学学院王水研究员为通讯作者，研究生潘镭文、彭顺、张悦慧和常欢为共同第一作者。本科生杨奕、研究生郭东北、郭缘、韩雅坤、毛婷和黄羽辰参与该论文的研究。该研究受到国家自然科学基金面上项目（32270290）和上海植物种质资源工程技术研究中心项目（17DZ2252700）的资助。

王水实验室照片（从左至右）张悦慧、徐峰辉、潘镭文、王水、蔡心一

（供稿、摄影：生命科学学院）