中国细胞生物学学报Chinese Journal of Cell Biology 2021，43(4): 866-872DOI: 10.11844/cjcb.2021.04.0020
植物核孔蛋白研究进展
魏兆欣1庞秋颖1张爱琴阎秀峰
G东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室，东北林业大学生命科学学院，哈尔滨150040;
2温州大学生命与环境科学学院，温州325035)
摘要 核孔复合物(nuclear pore c o m p l e x,N P C)位于核膜，是控制细胞核与细胞质之间进行蛋白质和m R N A等大分子物质转运的唯一通道。模式植物拟南芥的核孔复合物由30多种多拷贝的核
孔蛋白（nucleoporins,N U P s)构成，根据它们参与形成的亚基可分为外环、内环、连接、跨膜、中
心F G(phenylalanine-glycine)和核篮核孔蛋白。核孔蛋白不仅介导核质转运，而且在植物多个生命
进程中发挥重要作用。该文综述了植物核孔蛋白参与核质转运、激素信号响应、生长发育、环境
胁迫应答、免疫防御等的研究进展，为植物核孔蛋白生物学功能的系统认知及深入探索提供参考。
关键词核孔复合物；核孔蛋白；核质转运；生物学功能
Advances in Plant Nucleoporins
W E I Z h a o x i n1,P A N G Q i u y i n g1,Z H A N G Ai q i n1*,Y A N X i u feng2*
(lKey Laboratory o f S aline-alkali Vegetation Ecology Restoration, Ministry of E ducation, College o f L ife Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2College o f L ife and Environmental Science, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)
Abstract N P C(nuclear pore c o m p l e x),e m b e d d i n g in the nuclear envelope,is the sole gateway channel that controls the trafficking of m a c r o m o l e c u l e s such as proteins and m R N A b e t w e e n nucleus a nd cytoplasm.In Arabidopsis thaliana,the N P C consists of approximately30 N U P s (nucleoporins)with multiple copies,w h i c h can b e divided into outer ring,inner ring,linker,t r a n s m e m b r a n e,central F G(phenylalanine-glycine)and nuclear basket N U P s according to the sub-complex they f o r m e d.T h e N U P s not only modulate nucleocytoplasmic transport,but also play important roles in various biological processes.This review s u m m a r i z e d the biological functions of plant N U P s involved in nucleocytoplasmic transport,h o r m o n e signaling,g r o w t h a n d d e v e l o p m e n t,responses to the envi­ronmental stress,plant i m m u n i t y,w h i c h w o u l d l
ay the foundation for systematic cognition a nd further study o n the biological functions of plant N U P s.
K e y w o r d s nuclear pore c o m p l e x;nucleoporins;nucleocytoplasmic transport;biological function
核孔复合物(nuclear pore c o m p l e x,N P C)即镶嵌 在真核细胞核膜中的核孔，是保障细胞核功能和细 胞活动正常运行的关键亚细胞结构。二十一世纪初，人们利用蛋白质组学手段检测了酵母和动物细胞中核孔复合物的构成，发现核孔复合物大约由30多种 多拷贝的核孔蛋白(nucleoporins,N U P s)、近200多个蛋白质共同组成+2]。一些核孔蛋白的序列在不同 生物间存在较大差异，赋予了核孔蛋白功能的有机
收稿日期:202(M)9-24 接受日期:2020-丨1奶
中国博士后科学基金(批准号：2019M661235)、黑龙江省博士后面上资助经费(批准号：LBH-Z19103)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号: 2572019BS01)资助的课题
•通讯作者。Tel**************,E-mai丨:*********************;******************
Received: September 24,2020 Accepted: November 3,2020
This work was supported by the Chinese Postdoctoral Science Foundation (Grant N〇.2019M661235), the Postdoctoral Funding of Heilongjiang Province (Grant No.LBH- Z19103), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant N〇.2572019BS01)
*Correspondingauthors.Tel:+86-451-82191247,E-mail:*********************;******************
URL: /arts.asp?id=5518
魏兆欣等：植物核孔蛋白研究进展867
体特异性队另外，在人类和烟草细胞中均发现，核 孔复合物中的核孔蛋白组分在细胞不同分化期和植 物不同发育阶段存在动态变化[4-5]。由此可见，核孔 复合物及核孔蛋白所具有的生物学功能远远超出了 我们的原有认知。探究核孔蛋白的功能，将有利于 我们深入认识核孔复合物在真核生物中的作用及工 作机制。
蛋白质和m
R N A
等大分子通过核孔蛋白和核转
运蛋白的协助，穿过核孔在细胞核和细胞质之间进 行物质交流在不同真核生物包括植物中的遗传 学研究显示，核孔蛋白具有多重生物学功能，目前仍 有多个核孔蛋白的功能还不明确，且存在未知成员 有待鉴定。植物细胞组分复杂，核孔又是细胞中分 子量最大的蛋白质复合物，因此分离纯化核孔和全 面鉴定植物核孔复合物成员面临巨大挑战。近些年, 免疫沉淀联合质谱分析技术的成熟，推动了模式植 物拟南芥(J  r a &i /o /w h  f /za /Za /ia )中核孔蛋白成员的初 步鉴定「_81。随着核孔蛋白成员逐步明晰及其生物学 功能研究的不断深入，人们了解到核孔蛋白不仅介
导核质转运，而且在植物多个生命进程中发挥重要
作用。本文从植物核孔蛋白的分类及其在核质转运、 激素信号响应、生长发育、环境胁迫应答、免疫防 御等途径中的作用进行综述，为系统认识和深入探 索植物核孔蛋白生物学功能提供参考。
1植物核孔蛋白的分类
二十世纪中期，通过透射电子显微镜观察两栖 类动物卵母细胞的核膜，首次发现了核孔结构叽而后 在
豌
豆
L
.)中观察到相似的结构[|(>1，从
而幵启了人们对植物核孔复合物的研究。核孔复合 物的组建过程则通过冷冻电子显微镜技术，在原生生 物
盘
基
网
柄
菌
a f a c o W e w w )中首次被观
察到，而后在人类细胞中以更高分辨率清晰地获得了 核孔复合物组建的完整三维过程，为获得核孔晶体结 构奠定重要基础|U_13】。核孔复合物的形态在真核生 物中相对保守，在植物中的三维结构与动物、酵母相 似，呈现八角状对称的“篮子”结构，但构成核孔复合物 的成员在不同生物间存在差异％15](图1)。T
A M U R A
N U P 2I 4CG1NUP214CG1
NUP358
modulateO u t e r  r in g  N U P s P la n ts V e r te b r a te s N U P 43N U P 43N U P 85N U P 75N U P 96N U P 96N U P 107N U P 107 ^N U P 133N U P 133 ]N U P 160N U P 160 'S E C  13S E C I 3S E H 1S E H l A L A D I N A L A D I N G L E 1G L E 1R A E 1R A E 1H O S I E Y L S
N U P 37 /Plants Vertebrates GP2I0 GP2I0NDC1
NDC1POM 121
N u c le a r  D asK et P l a n ts  V e r te b r a te s  N U P 50a /b  N U P 50 N U P I 36/1 N U P 153 N U A T P R  T P R
NUP35
NUP35
NUP155
C  ytoplasm
Linker NUPs  Plants Vertebrates NUP88 NUP88NUP93a/b NUP93a/bi Central FG NUPs Plants Vertebrates NUP35 NUP35NUP98a/b NUP98a/b  NUP54 NUP54NUP58 NUP58NUP62 NUP62 ；
Cytoplasmic FG Plants FG NUPs
Vertebrates N E ：核膜；NUP：核孔蛋白；C G I：锌指CCCH 型家族蛋白1; SEC13：分泌蛋白13; SEH1: secl3同源蛋白1; ALADIN：贲门失弛缓症-肾上腺功能不
足神经系统紊乱；GLEk glfg 致死因子1; RAE1: RNA 输出因子1; H 0S 1：渗透响应高表达基因丨；ELYS：来自卵黄獎的胚胎大分子;NUA ：核孔锚 定蛋白；丁尸!1：易位启动子区；€?1^组成型表达？11基因5;0?210:21010)3糖蛋白”0(：丨：核分裂周期丨；？0\1丨2丨：孔膜蛋白121。
NE: nuclear envelope; NUP: nucleoporin; CGI: Zinc finger CCCH type family protein 1; SEC13: secretory 13; SEH1: secl3 homologue 1; ALADIN: alacrima-achalasia-adrenal insufficiency neurologic disorder; GLE1: glfg lethal 1; RAE1: RNA export factor 1; HOSl: high expression of osmotically responsive gene 1; ELYS: embryonic large molecule derived from yolk sac; NUA: nuclear
pore anchor; TPR: translocated promoter region; CPR5: con­stitutive expresser of PR genes 5; GP210: glycoprotein of 210 kDa; NDC1: nuclear division cycle 1; POM 121: pore membrane protein 121.
图i 核孔复合物结构及其亚基的核孔蛋白成员构成
Fig. 1 Molecular architecture of nuclear pore complex and the nucleoporin members of the sub-complex
868.综述.
等f71利用互作蛋白质组学方法首次鉴定了拟南芥核 孔复合物组分，初步明确了植物核孔蛋白成员的构成 (图1)。根据其形成的复合物亚基，可以将N U P s分为 外环、内环、连接、跨膜、核篮和F G(phenylalanine-glycine)核孔蛋白6类[|61:(1)外环NUPs(outer ring N U P s)由A L A D I N(alacrima-achalasia-adrenal insufficiency neurologic disorder)、GLEl(glfg lethal 1)、R A E1(R N A export factor 1)、H O S1(high expression of osmotically responsive gene 1)以及包含 N U P43、N U P85、N U P96、N U P107、N U P133、N U P160、S E C13(secretory 13) 和S E H l(secl3 h o m o l o g u e 1)的N U P107-160亚复合体 组装而成[71;(2)内环N U P s(i n n e r r i n g N U P s)由N U P35、N U P155、N U P188、N U P205 以及 C P R5(constitutive expresser of P R genes 5)组成"7】；（3)连
接 NUPs(linker N U P s)位于外环N U P s和内环N U P s之间，包括N U P88/ M0S7和 N U P93a/b[丨6】；（4)跨膜 N U P s(t r a n s m e m b r a n e N U P s)包含 G P210(glycoprotein o f210 k D a)[18-19】和N D C1(nuclear division cycle 1)[2。】；（5)核篮(nuclear bas­ket)包括 N U P50a/b、N U P136/N U P1和N U A(n u c l e a r pore anchor)/TPR(translocated promoter region);(6)F G
N U P s包括胞质 FG(cytoplasmic F G)和中心 FG(central F G)蛋白，含N U P214[21】和C G l(Z i n c finger C C C H type family protein 1)、N U P35、N U P98a/b和N U P62亚复合 体，其中N U P62亚复合体的成员有N U P54、N U P58和N U P62(U5]〇
2植物核孔蛋白的生物学功能
介导核质转运是核孔蛋白的保守生物学功能，近些年的研究发现，核孔蛋白在植物激素信号响应、生长发育、环境胁迫应答、免疫防御中也发挥着重 要作用(表 1)[3’22-251。
2.1植物核孔蛋白与核质转运
核质转运是m R N A和蛋白质等生物大分子物质 在细胞核和细胞质之间进行的单向运输活动，具体
表i植物核孔蛋白的生物学功能
Table 1The biological functions of plant nucleoporins
核孔蛋白所属亚基参与的生物学过程参考文献Nucleoporins Sub-complex Biological processes References
NUP85Outer ring NUPs Salt stress, high temperature stress, ABA (abscisic acid) signaling, nodule
symbiosis Lotus j aponicas)
[38,49,51]
NUP96Outer ring NUPs mRNA nuclear export, leaf growth, hypocotyl elongation, flowering time,
high temperature stress, immune defence, auxin signaling, ABA (abscisic
acid) signaling
[26,38,41,51]
NUP133Outer ring NUPs High temperature stress, nodule symbiosis {* Lotus j aponicas)[41,50]
NUP160Outer ring NUPs mRNA nuclear export, protein nuclear import, leaf growth, hypocotyl
elongation, flowering time, cold stress, salt stress, immune defence, auxin
signaling, ABA (abscisic acid) signaling
[26-27,29,38,41,52]
SEH1O uter ring NUPs mRNA nuclear export, immune defence[8,52]
HOS1Outer ring NUPs mRNA nuclear export, leaf growth, hypocotyl elongation, flowering time,
cold stress, high temperature stress, salt stress, auxin signaling, ethylene
signaling, ABA (abscisic acid) signaling
[30,36-38,41,43,47-48]
RAE1Outer ring NUPs mRNA nuclear export (*Nicotiana benthamiana)P2]
CPR5Inner ring NUPs Protein nuclear import, leaf growth, immune defence, auxin signaling,
ABA (abscisic acid) signaling
[17,40,53]
NUP205Inner ring NUPs mRNA nuclear export, immune defence[31]
NUP88Linker NUPs Protein nuclear import, immune defence[33]
NUP98a/b Central FG NUPs Flowering time[44]
NUP54Central FG NUPs L eaf growth, flowering time[8]
NUP58Central FG NUPs L eaf growth, flowering time, auxin signaling[8,34]
NUP62Central FG NUPs Leaf growth, flowering time, auxin signaling[8,35,42]
NUP136/NUP1Other NUPs mRNA nuclear export, leaf growth, flowering time[7]
NUA/TPR Other NUPs mRNA nuclear export, leaf growth, flowering time, auxin signaling[28,39]
除特殊标记植物种属外，其余均为在模式t t物拟南芥中的研宂。
All the studies were performed in the model plant Arabidopsis thaliana, except of these marked with asterisk.
魏兆欣等：植物核孔蛋白研宂进展869
包括m R N A的核输出和蛋白质的核输入。核孔复合 物是控制核质转运的唯一通道，主要是通过位于细 胞质中的输入蛋白(importin)以及在细胞核中的输出 蛋白(exportin)特异性识别m R N A和蛋白质等分子，再 由核孔蛋白将这些分子物质输入或输出到细胞核W。
植物核孔蛋白介导m R N A核输出的功能研宄多 集中在拟南芥中。通过m R N A原位杂交检测，发现 N U P96、N U P136、N U P160、S E H1、H O S1和N U A
等是植物m R N A核输出所需的关键核孔蛋白，其功能 缺失后m R N A在细胞核中大量滞留l W6_3()]。L E O N E
等丨311证明，£A W(e n h a n c e d disease susceptibility4)负责 编码N U P205, e d W突变体中m R N A核积累增强，表明 N U P205在m R N A的核输出中也发挥重要作用。另外，在烟草(Mcoft'awa中，A W M£7 的缺乏导致多聚腺苷酸m R N A在细胞核中积累，揭示烟草核孔蛋 白R A E1也参与了 m R N A核输出的调控|32]。
人们目前对于直接参与调控蛋白质核输入的核孔蛋白认识还很有限，仅有N U P160、N U P88/ M O S7和C P R5被鉴定出参与特定蛋白质的核输入。P A R R Y等[26)在《1^760突变体中观察到转录抑制因子 I A A17(indole-3-acetic acid inducible 17)和植物免疫正 调控因子 E D S1(enhanced disease susceptibility 1)蛋白 的核积累减少【M1。研宄表明，nM/?55/m<w7-7(modifier of sncl,7)突变体存在
免疫缺陷，在突变体中，抗病蛋白 SNCl(suppressor of nprl-1,constitutive 1)以及 E D S1和 N P R1(non-expresser of P R genes 1)蛋白的 核积累显著减少，而其他蛋白则不受影响l331，表明 N U P88参与调控这些免疫相关蛋白在细胞核中的积 累且其积累丰度关系着植物的免疫防御能力。此 外，跨膜核孔蛋白基因C W5过度表达后导致N P R1、J A Z l(jasmonate-z i m-domain protein 1)^0 A B I5(abscisic acid insensitive5)在细胞质中滞留1171，揭不C P R5反向调 控上述免疫应激和植物激素相关核蛋白的核输入。2.2核孔蛋白与植物激素信号响应
植物的生长发育受到多种激素的调节，核孔蛋 白N U P58、N U P62、N U P85、N U P96、N U P160、H O S1、N U A和C P R5参与调控植物激素信号通路。人们以生长素抗性突变体axr1(auxin-resistant1)为背 景，通过正向遗传筛选，鉴定到了与生长素I A A信号 转导有关的核孔蛋白N U A、N U P96和N U P丨60，在突变体背景下,M A4、从/尸96和M7P/60的功能 缺失会使植物对生长素的敏感性增强[26〜。人们最初认为这可能是由于核孔蛋白突变体中m R N A的核 滞留，有助于生长素信号途径中负调控因子的转录。然而，进一步研宂表明，它们对生长素敏感性的增强 主要归因于核孔蛋白缺失后生长素转录抑制因子 A u x/I A A蛋白的核积累减少['研宄发现，M/P55 和的功能缺失突变体无m R N A核输出缺陷' 但突变体植株对生长素敏感性增强[3M5]。L E E等^的研宄表明，H O S1在控制下胚轴伸长中负调控生长 素的生物合成，并且H O S1同时也参与乙稀(ethylene)信号转导，在环境胁迫条件下调控叶片的生长[3'除参与生长素、乙烯信号外，脱落酸A B A信 号通路也受到核孔蛋白的调控。Z H U等t38]发现，
和/io s/突变体对外源A B A处理敏感，表明N U P85、N U P160和H O S1可能参与调控A B A
信号通路。此外，Microarray数据显示，功能缺 失后，A B A信号通路基因显著上调表达，且过表达 C P/?5使A B I5等激素相关核蛋白在细胞质中大量滞 留，表明C P R5负调控A B A信号途径[1\
2.3核孔蛋白在植物生长发育中的作用
许多核孔蛋白在控制植物营养生长，如叶片生长 和下胚轴伸长以及开花时间中，均发挥重要作用。研 宄证明，拟南芥核孔蛋白N U P54、N U P58、N U P62、N U P96、N U P136、N U P160、H O S1、N U A和 C P R5 均参与调控植物叶片的生长，其功能缺失后莲座叶 明显小于野生型，叶片生长呈现缺陷表型[7〜W394()]。Z H A N G等％研宄发现，高温条件下与野生型相比，/IM/796和n w p M O突变体的下胚轴较短，/zos/突变体的下 胚轴较长，而《叩55和《叩/33并无明显下胚轴发育缺陷 的表型，表明不同核孔蛋白在维持植物营养生长中所 发挥的作用不尽相同。另外，大多核孔蛋白在调控植 物开花时间中十分关键，如M/P54、M/P5&M7P62、NUP96、NUP136、NUP160、NUA、HOSimNUP98a/b 功能缺失后，植物表现出早期开花表型[7〜@42其中，功能缺失突变体早花并伴随着FLC^flowering locus c)、A M F-^m a d s affecting flowering4)基因表达水平降低, M/^f l o w e r i n g locus t)>^^(s u p p r e s s o r of overexpres­sion of col)>A/7535(m y b d o m a i n protein33)> MYB65和I f T(leafy)基因表达水平增加…】。此外，&八
«叩9&2单突变体(T-D N A分别插入在M/P9&基因第二 和第三个外显子上)和叫册单突变体并未出现早花表 型，只有和&双突变体开
花时间明显早于野生型，表明它们可能在调控开花时
870
间中存在功能冗余[441。
2.4核孔蛋白在环境胁迫应答中的作用
一些核孔蛋白在植物应对环境胁迫的复杂信 号网络中也具有重要作用，正向或负向调控植物应 答逆境胁迫。拟南芥响应逆境的基因表达谱显示，多个核孔蛋白参与非生物胁迫如低温胁迫、高温胁 迫和盐胁迫的应答[45_5'
2.4.1低温胁迫响应 拟南芥核孔蛋白H O S1和
N U P160参与调控植物应答低温胁迫。通过将拟 南芥低温响应基因/?D25M(r e s p o n s i v e to d e s i c c a­tion 29a)启动子连接到 L t/C(luciferase)报告基因上，I S H I T A N I等1451发现，低温条件能够诱导L C/C基因在
突变体中的表达，而在野生型植株中不能诱 导其表达，初步判断H O S1可能是植物响应低温胁迫 的负调控因子[4546]。在低温响应中，//0M的缺失导 致低温胁迫应答调控因子C B F s(c-repeat-binding fac-tors)及其下游冷响应基因的表达上调而//<957的过度表达则抑制了 C B F s和其下游基因的表达，从而 使得植物对低温胁迫更加敏感[471。此外，H0S1还参 与植物在低温条件下的开花过程。H O S1依赖F V E/ M S I4(msil-like4)蛋白与染质结合，并且在低 温胁迫下H0S1与F L C位点的结合显著提高。H0S1还与组蛋白去乙酰化酶H D A6(h i s t o n e deacetylase 6) 相互作用，抑制H D A6与F L C位点的结合，从而诱导 低温条件下F L C表达，控制开花时间^1。转录激活 因子 ICEl(inducer of C B F expression 1)对C B F s的低 温诱导至关重要，H O S1编码E3泛素连接酶，研究 证明H0S1通过泛素化修饰I C E1使其降解从而来 减弱低温信号转导，调节植物响应低温胁迫[4'同时，D O N G等[27]通过C S F5-L W：报告基因，筛选低温 条件下其诱导表达发生缺陷的拟南芥突变体，发现 在突变体中低温胁迫应答基因的表达量显著下降，并导致植物对低温胁迫异常敏感，表明 N U P160正向调控植物应答低温胁迫。
2.4.2高温胁迫响应 人们最初是在百脉根
中发现，核孔蛋白N U P85和N U P133是植 物在高温条件下控制根瘤共生所必需的调控因子，较高温度使得幻和突变体中的根瘤生长明显受到抑制最近研宄表明，拟南芥核孔蛋 白N U P85、N U P133、N U P96和H O S1均参与了植 物对高温条件的应答[41]。研宄人员以多个拟南芥核 孔蛋白功能缺失突
变体为材料，从植物生长和免疫
•综述.
防御等方面分析了核孔蛋白在正常和高温条件下 的作用。其中的缺失使植物产生非常明显
的高温敏感生长表型，而在抗病蛋白S N C1介导的植 物免疫中，M7P S5和突变后抑制了S N C1介 导的抗病性。深入研宄发现，在高温条件下
和m^/33突变体中m R N A在细胞核中大量滞留。另外，大部分高温应答基因在《叩96和A o s/突变体中表 达失调，且高温应答关键调控因子P I F4(phytochrome interacting factor4)在两者突变体中的核积累明显减 少141]，表明不同核孔蛋白在植物应答高温过程中的 多个生理进程如生长发育、核质转运及基因表达调 控中发挥不同且至关重要的作用。
2.4.3 盐胁迫响应 Z H U等1381通过正向遗传筛
选的手段，发现拟南芥核孔蛋白N U P85、N U P160 与H O S1参与调控植物响应盐胁迫。当iVC/P M、M7P M0与7/0沿功能缺失后，植物呈现盐胁迫敏感生 长表型，并且/?£>29水 C X W7W(cold-regulated 15a)和 C O/W7等胁迫应答基因的表达也受到明显抑制。
以上核孔蛋白在植物环境胁迫应答中的研究表 明，尽管一些核孔蛋白如N U P160和H O S1响应多个环 境因子，但其所发挥的功能重要性和作用机制不尽相 同，而另有一些核孔蛋白如N U P96和N U P133仅响应 某个环境因素，体现了核孔蛋白功能在环境胁迫应答 中的广谱性和专一性。这可能与在植物响应不同环 境胁迫下的核质转运过程中，核孔蛋白特异性识别参 与信号转导的功能分子有关，在未来研宂中关注核孔 蛋白的特殊作用机制，将有助于我们认识它们是如何 有选择性地、精密地调控植物对环境变化的应答的。
2.5核孔蛋白在植物免疫防御中的作用
除非生物胁迫外，核孔蛋白对植物应对生物胁 迫时所引发的免疫防御也至关重要。己有报道显 示，拟南芥N U P88、N U P96、N U P160、N U P205、S E H1和C P R5等多个核孔蛋白在植物免疫中发挥重 要作用。M/P96、和见//7突变后会导致 拟南芥对病原菌的敏感性增强突变
使植物失去抗病蛋白S N C1介导的抗病性并且q R T-P C R分析表明，在m c/突变体背景下，M/P96和 M/PiSS功能缺失会导致 P/?-/(pathogenes i s-related 1)和P/?-2基因的表达被抑制P，51l。C P R5则通过核孔复 合物释放E T I(effector-triggered i m m u n i t y)效应物，抑 制植物的防御反应[17'531。最新研宂表明,《叩205突变 体被病原菌侵染后，会抑制拟南芥H(n i g h t light -