近五年7篇CNS！美国杜克大学董欣年院士团队在植物免疫领域取得重大进展！

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董欣年教授于1982年获得武汉大学的微生物学学士学位，并于1988年获得了美国西北大学分子生物学博士学位。1988-1991年，她在哈弗医学院开展博士后研究。1992年起历任杜克大学生物系助理教授、副教授、教授，2011年，被推举为美国科学促进会会士，并于2012年获选美国科学院院士。她担任多个权威期刊的顾问和编辑。

研究兴趣

植物与微生物的相互作用

免疫信号转导

免疫力和其他细胞过程之间的相互作用。

环境对植物免疫力的影响

防御基因的表达调控

控制防御蛋白的产生

植物免疫反应简介

免疫力是一把双刃剑：没有免疫力，生物体就会屈服于感染，而免疫力过强又会使宿主患上自身免疫性疾病。植物的情况更令人困惑，因为它们没有专门的免疫细胞。免疫反应必须与每个细胞的其他生物功能相平衡，才能最终保护整个生物体（Journal of Biological Chemistry | 深度解读植物免疫系统的分子基础！Cell | 专家点评：植物免疫期间如何不“殃及池鱼”？）。董欣年实验室的主要研究目标是了解植物免疫反应的机制和动态调节。具体来说，他们以拟南芥为参考生物体，应用现代遗传学、基因组学和蛋白质组学方法，在分子、细胞和机体水平上进行研究。与有颌脊椎动物复杂的免疫系统相比，植物的免疫系统显得不那么复杂。然而，利用与动物不同的策略，植物能够在自我反应受限的情况下进行高度特异的防御反应。对病原体暴露的记忆可以持续数周，甚至更久。植物是如何实现这些免疫特性的？在细胞表面，微生物相关的分子模式（MAMPs）被模式识别受体（PRRs）检测到，导致模式触发免疫（PTI）。适应性病原体通常可以通过直接将效应蛋白传递到植物细胞中来克服PTI。尽管这些效应蛋白在病原菌株之间具有高度多态性，但它们只针对少数关键的宿主蛋白来抑制PTI并增强毒性。一些效应蛋白引起的宿主靶标的扰动可以被植物细胞内核苷酸结合和富含亮氨酸重复序列(NB-LRR)的免疫受体检测到，从而导致效应蛋白引发的免疫(ETI)。ETI是植物的主要免疫机制，其特点是在试图感染的部位发生程序性细胞死亡（PCD），并释放水杨酸（SA）等免疫信号。每种植物基因组都编码数百个NB-LRRs来"守护"关键的细胞靶标（即自身），并提供针对各种效应蛋白特异性的免疫力。局部ETI的激活往往可导致系统获得性抗性（SAR），这是一种持久的广谱抗性。SA是SAR的必要和充分信号。通过内源性合成或外源性应用，SA的增加可导致主要的转录重编程和大量抗菌PR蛋白的分泌。

阐明主免疫调节器NPR1的分子功能

董欣年实验室的主要研究兴趣一直集中在SAR上。通过基因筛选，他们发现了npr1（nonxpresser of PR genes 1）突变体，该突变体对SA诱导没有反应，并表现出受损的SAR。所有的证据都表明，NPR1是植物中的一个主调节因子，在哺乳动物免疫系统中扮演着类似于NF-kB/IkB的角色。自1997年克隆NPR1以来，他们在NPR1功能上有了几个关键的发现。首先发现核易位是该蛋白的一个关键调控步骤。在没有病原体攻击的情况下，NPR1通过氧化还原敏感的分子间二硫键以寡聚体的形式保留在细胞质中。诱导后，NPR1单体被释放出来进入细胞核，这一过程是由硫氧还蛋白介导的。这种新型调控机制的发现为了解病原体诱导的细胞氧化还原变化如何导致植物免疫反应的诱导提供了新的见解。在细胞核中，NPR1作为转录因子的辅助因子，诱导编码抗菌蛋白的PR基因和ER驻留基因，以确保PR蛋白的正常分泌。

NPR1的转录活性和蛋白稳定性受各种翻译后修饰（PTMs）的控制。最终的修饰似乎是类泛素化，这是NPR1转录活性以及与其旁系物NPR3和NPR4关联所必需的，后者作为CUL3 E3泛素连接酶适配体的作用取决于它们与SA的直接关联。他们未来的工作将集中在NPR1的核功能和调控上。他们将对NPR1核复合物进行表征，以确定参与NPR1 PTMs的酶，并确定该复合物的稳定性和活性如何动态调节，以控制SAR期间的转录级联。

了解生物钟在预知感染和激发植物免疫反应中的核心作用

在对ETI输出基因的功能基因组研究中发现，它们不仅在病原体攻击时以NB-LRR依赖性的方式诱导，而且在没有感染的情况下也受生物钟控制。这一观察开启了对植物免疫和生物钟之间相互作用的新探究。他们发现，这些受时钟调控的ETI基因通常在早晨脉冲表达，而此时的环境条件对许多病原体的感染是最有利的。最近，他们发现除了ETI基因外，编码异胆酸合成酶的SA-生物合成基因ICS1也直接受昼夜钟元件CHE的调控。在che突变体中，通常在黎明前达到峰值的SA水平的每日振荡受到影响。此外，CHE对全身组织中SA和病原体诱导的SA合成都是必需的，这表明了系统性SA合成的机制。目前他们正在研究CHE的振荡调控及其在SA合成的正反馈回路中的作用。CHE在SA和病原体诱导的SA合成中的参与表明，生物钟在免疫中的作用不仅仅是预测感染，它还可能在对感染的反应中发挥作用。事实上，SA处理的植物通过NPR1介导的LHY在早晨和TOC1在晚上的诱导加强了生物钟。由于LHY和TOC1分别是防御的正向和负向调节因子，因此时钟的强化导致免疫反应向早晨的门控（即早晨诱导时的反应高于晚上）。然后，他们通过实验证明，SA敏感性的门控朝向早晨，使植物能够最大限度地减少免疫干扰一天中其他时间安排的正常细胞功能，因为在黑暗中用SA处理植物，由于在这种条件下干扰水运输活动，导致鲜重的严重损失。他们的研究表明，控制化学物质部署的时间对于最大限度地提高其功效和最小化副作用至关重要。他们计划进一步探索生物钟如何通过整合环境线索和内部代谢活动来优化植物体质，从而作为植物免疫反应的中央调节器。

研究DNA修复反应、细胞周期控制和植物免疫之间的相互作用

通过对参与防御基因诱导的元件进行基因筛选，他们意外地发现了DNA损伤反应机制的多个元件，如BRCA2和RAD51。在人类中，BRCA2是RAD51在同源DNA配对中的中介；而BRCA2的突变会导致乳腺癌/卵巢癌的易感性。然而，令人困惑的是，DNA同源重组（HR）是所有细胞都需要的机制，其缺陷如何导致特定组织的恶性肿瘤。他们在拟南芥中的工作表明，HR途径的成分可能在植物的防御基因转录中起着非规范的作用。用DNA损伤剂博来霉素处理植物可使防御基因被SA诱导，而brca2和rad51突变体不仅对基因毒性物质超敏感，而且对病原体感染也超敏感。引人注目的是，染色质免疫共沉淀法证明，在SAR过程中，RAD51以SA和BRCA2依赖的方式特异性地被招募到防御基因的启动子上。由于生物性和非生物性应激都可以引发活性氧（ROS）的释放，目前他们正在测试两个假说。(1)DNA损伤修复蛋白被招募到防御基因启动子上，以诱导染色质重塑以及防止转录相关的DNA不稳定。(2)病原体诱导的DNA重组通过基因簇中的DNA重排促进新NB-LRR基因的生成，作为一种长期的生存策略。除了参与HR成分外，遗传学研究还显示细胞周期调节因子参与ETI。最近他们发现，ETI的诱导可以导致CPR5在核孔复合物中发生寡聚体到单体的构象变化。这不仅使核孔通透化，导致多种信号通路的虚假激活，而且释放出周期蛋白依赖性激酶抑制子（CKIs）并激活TF E2F，从而导致ETI和PCD。对于未来，感兴趣的是：（1）确定NB-LRR激活后导致CPR5寡聚体到单体切换的信号通路；（2）理解CKI和E2F在赋予ETI和PCD中的非规范作用。

理解植物免疫诱导中的翻译调控，并应用该知识从遗传上增强作物的抗病性

大多数关于植物免疫的研究都集中在转录调控方面。对于防御相关的mRNA是否在病原体攻击时被选择性地翻译，知之甚少。对TBF1（一个关键的免疫TF）的mRNA进行的5'-RACE惊奇地发现了两个上游开放阅读框（uORFs）。这些uORFs通常阻止核糖体到达主要ORF。在免疫诱导后，这种抑制作用迅速而短暂地缓解，导致TBF1翻译。这表明，抑制预先存在的免疫TF mRNA的翻译可能是一种快速响应病原体攻击的策略。最近，他们利用核糖体足迹（RF）对PTI诱导的植物进行了全局翻译组剖析，发现翻译的变化与转录的相关性并不高。PTI期间翻译效率（TE）发生改变的基因属于不同的功能组，并包含这种免疫反应的新调控因子。此外，一个富含嘌呤的mRNA共有序列（"R-motif"）被发现在转录本的5'前导区显著富集，并被证明是PTI期间TE增加的必要和充分条件。目前，他们正在(1)对负责免疫诱导翻译的mRNA特征进行深入研究，重点研究uORFs；(2)研究影响翻译的其他因素，包括mRNA修饰和tRNA群体；(3)利用分子和遗传学方法确定uORFs和防御诱导翻译的反作用调控元件。了解防御蛋白的产生是如何调控的，将使他们能够开发出更好的农作物抗病工程策略，因为防御蛋白在植物中的异位表达往往会因其毒性而导致生长受影响。将病原体诱导转化控制应用于工程抗病性可能是向新的环境友好型农业实践迈出的革命性的一步，它不仅减少了农药的使用，而且减少了抗性病原体的选择性压力。

对未来的总体设想

董欣年实验室的研究表明，植物免疫机制与其他关键的细胞功能有着内在的联系。在未来的研究中，他们旨在了解免疫、细胞氧化还原节律和生物钟之间的三方相互作用，重点是：(1)免疫主调节器NPR1，它是氧化还原传感器和生物钟的内在调节器；(2)生物钟，它"调度"(预测)和"监督"(控制)代谢活动，包括防御，与环境变化相协调；(3)由病原体诱导的代谢活动扰动引发的转化编程，对此知之甚少。了解这些过程的机制和稳态，将极大地丰富我们对一般免疫的知识，并导致开发控制感染的策略，同时使宿主的成本最小化。

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