Genome Biology | 上海师范大学王水团队发现核孔蛋白调控植物免疫的核心信号链

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。

近日，上海师范大学生命科学学院王水团队在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。

核心发现一：核孔蛋白不只是 “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-2C）。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2D-2E）。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。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；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。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和上海植物种质资源工程技术研究中心项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1186/s13059-025-03814-0

王水实验室照片：从左到右，前排——张悦慧、潘镭文、蔡心一，后排——徐峰辉、王水