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Nature Plants | 一种新的植物免疫应答分子“开关”

花匠小妙招
2024-11-20 14:00

植物免疫反应的激活往往伴随着生长发育的抑制。为了平衡免疫反应和植物生长发育，植物进化出复杂的调控机制及多样的调控因子来实现动态调节。这种动态调节所需的信号成分的快速和可逆调节通常通过转录后、翻译和翻译后机制发生，而不需要从头转录，使调节作用更加高效快捷【1-3】。

植物激发肽（Peps）已成为高等植物天然免疫的基本调节因子，具有增强对多种昆虫、病原体和线虫的抵抗力的能力。Peps激活受体PEPR，通过调节因子BIK1及其他组分传递信号。已报道钙依赖蛋白激酶CPK28可对BIK1及其他调节因子磷酸化，促进BIK1降解，通过调节BIK1蛋白的动态平衡来负调控免疫反应【4,5】。这其中是否还存在其他调节机制或调节因子参与该途径是科研人员感兴趣的热点问题。

近日，美国UC San Diego的Alisa Huffaker研究组在Nature Plants发表了题为Dynamic regulation of Pep-induced immunity through post-translational control of defence transcript splicing的研究论文。该研究鉴定到一种新的免疫应答分子“开关”——IMMUNOREGULATORY RNA-BINDING PROTEIN (IRR)。IRR通过调控CPK28的可变剪接，在拟南芥和玉米中负调控Peps诱导的免疫反应。

为了揭示翻译后修饰的免疫调节因子，作者检测了拟南芥及玉米中Peps诱导的蛋白质磷酸化变化。利用AtPep1及ZmPep3处理两种植物的悬浮培养细胞，随后利用纳米液相色谱-串联质谱法进行分析，作者在这两种植物种均发现RNA结合蛋白IRR在Peps处理后发生显著的去磷酸化作用。随后作者在拟南芥稳定植株中验证了AtPep1处理后IRR确实发生去磷酸化，且S745和S747为磷酸化位点。进一步表型分析显示，拟南芥中irr缺失突变体表现出Pep诱导的免疫反应增强，积累了更多的ROS及相关marker基因的表达。而在玉米中降低IRR表达也使得ZmPep3诱导的抗性有机化合物VOCs含量增高，说明 IRR在拟南芥和玉米中都是Peps诱导的免疫应答的负调节因子。

根据蛋白结构特点，IRR可能作用于pre-mRNA加工和可变剪接【6,7】。通过分析突变体与野生型的转录组数据，发现与野生型相比，irr-1中的剪接模式发生了广泛变化，其中RI事件（保留内含子位点的可变剪切）最为丰富。许多编码防卫反应信号途径蛋白的转录本发生RI的比率变高并发生提前终止，可能导致蛋白变短或功能改变，如CPK28、LSD1和JAZ4等。CPK28被报道通过磷酸化BIK1调节BIK1的蛋白丰度参与调控AtPep1–PEPR活性。体外磷酸化实验证明CPK28-RI磷酸化水平大幅下降。同时CPK28-RI不能回补cpk28的敏感表型，说明CPK28-RI的功能受限。CPK28可以回补irr突变体的病原菌敏感表型，而CPK28-RI则不能回补表型，证明IRR基因敲除导致植物不能产生正常的CPK28剪接体从而使CPK28蛋白功能失活，这也是irr突变体对AtPep1敏感的重要原因。作者进一步发现IRR1的磷酸化除了影响CPK28的正常剪接之外，还影响IRR与CPK28转录本的相互作用。

IRR动态调节CPK28活性参与Peps介导的免疫反应模式图

综上，该研究发现了一种免疫反应中的新的动态调节机制。在Peps诱导的免疫激活过程中，IRR被去磷酸化，破坏了与CPK28转录物的相互作用，并导致编码截短CPK28蛋白的可变剪接变体的积累，使其激酶活性受损，作为负调节子的功能减弱。CPK28与CPK28-RI转录物比率的改变调节了PEPR信号的敏感性，RI变异体成比例增加，导致免疫信号和防御能力增强。这些动态事件直接将PEPR诱导的IRR去磷酸化与转录后介导的CPK28功能衰减联系起来，提供了一种快速调节PEPR信号能力和免疫输出的新机制。

Novel 'on-off' switch discovered in plant defenses (Credit: Huffaker Lab, UC San Diego)

参考文献

1. Gassmann, W . Alternative splicing in plant defense. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 326, 219–233 (2008).

2. Liu, J., Qian, C. & Cao, X. Post-translational modification control of innate immunity. Immunity 45, 15–30 (2016).

3. Xu, G. et al. Global translate onal reprogramming is a fundamental layer of immune regulation in plants. Nature 545, 487–490 (2017).

4. Monaghan, J. et al. The calcium-dependent protein kinase CPK28 buffers plant immunity and regulates BIK1 turnover. Cell Host Microbe 16, 605–615 (2014).

5. Wang, J. et al. A regulatory module controlling homeostasis of a plant immune kinase. Mol. Cell 69, 493–504 (2018).

6. Anko, M. L. Regulation of gene expression programmes by serine–arginine rich splicing factors. Semin. Cell Dev. Biol. 32, 11–21 (2014).

7. Jeong, S. SR proteins: binders, regulators, and connectors of RNA. Mol. Cell 40, 1–9 (2017).

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0724-1