科学家“看见”植物蓝光受体被“束缚”过程

BICCRY2 PHR配合物的结构。a、CRY2和BIC2蛋白结构域示意图。b,BICCRY2 PHR配合物的结构。青色代表CRY2 PHR,小麦代表BIC2。一个分子FAD、一个分子镁离子和一个分子AMP结合在复合物中。c,biccry2phr络合物的表面。尹平提供图纸

BIC2和CRY2 PHR之间的相互作用界面。参与CRY2 PHR相互作用的BIC2区主要包括4个螺旋和一个环区。参与BIC2相互作用的氨基酸用黑色表示,而参与CRY2相互作用的氨基酸用蓝色表示。尹平提供图纸

光对植物非常重要。从发芽开始,植物必须对光敏感才能进行一系列的生命活动。

5月11日,华中农业大学结构生物学研究小组在网上公布了蓝光受体隐色素抑制态的晶体结构。这项工作将为研究植物蓝光信号接收、传输和调控的分子机制提供一定的工作基础,也为隐色素光遗传学的操作和应用提供一些新的思路通讯作者、华中农业大学教授尹平告诉《中国科学日报》。

植物中有能感知不同波长光的受体蛋白,通常称为光感受器。光感受器是植物生长发育光调节的重要介质,在整个生长周期中起着关键作用。它的功能相当于感应光线的天线。当它接收到光信号时,它可以“告诉”植物什么时候可以开始生长。

隐色素(CRYs)作为蓝光受体,参与光形态发生的调控,如抑制下胚轴伸长、开花启动、生物节律等重要发育过程。

此前,科学家已经研究了光信号传输的整个过程。“我们主要利用结构生物学来研究植物细胞采取的策略或它们在光信号传递过程中所处的状态,即研究植物对外界蓝光信号的感知调节。”尹平说。

2016年,加州大学林教授和福建农林大学教授发现拟南芥中的BICs蛋白可以负向调节CRYs活性。“换句话说,BICs蛋白阻断了‘天线’晶体,使其无法感知光信号。”尹平说。

然而,这种阻断效应是如何发生的尚不清楚。

隐花色素有两个结构域,包括在N端的PHR结构域和在C端的CCE结构域。其中,PHR结构域与显色基团黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)非共价结合,后者对蓝光感知至关重要。蓝光激活隐色素蛋白可产生多种生理生化反应,如FAD光还原、蛋白寡聚化和磷酸化。这些变化有利于结合隐色素和下游信号因子来调节植物的生长发育。

“我们分析了拟南芥CRY2蛋白的PHR结构域的晶体结构,并首次分析了由BIC2和CRY2结合形成的复合物的晶体结构。通过结构比较、分子模拟和生化实验分析,揭示了BIC2抑制CRY2活化的分子机理尹平说。

尹平解释说,从结构上来说,BIC2就像一根绳子,把“天线”CRY2绑在一起,这样它就不能和其他蛋白质结合来传递信号。

该论文的合著者马玲博士介绍说,他们发现BIC2呈现出一种极度膨胀的结构,缠绕在CRY2的凹槽上,与CRY2形成广泛的氢键和疏水相互作用。这种广泛的相互作用可能占据CRY2的低聚位点,从而抑制CRY2在蓝光下的低聚,甚至促进CRY2低聚物的解聚以保持它们处于单体状态。此外,BIC2可以阻断CRY2寡聚体和下游转录因子CIB1之间的相互作用,从而阻断蓝光信号的传输。

“我们还发现了一种更精细的结构,这种结构与隐色素的电子转移过程有关,即BIC2抑制CRYs蛋白中显色分子FAD的光还原。”尹平说。在光还原过程中,FAD接受外部电子成为FAD-,CRY2的D393提供质子使FAD-成为FADH。通过分子模拟发现,BIC2的结合使得电子和质子的转移路径变长,从而阻碍了电子和质子的转移,抑制了FAD的光还原。

角马说,通过序列比对,他们还发现不同植物物种中BICs和CRYs蛋白之间的相互作用区域非常保守,表明这种抑制机制普遍适用于植物。

事实上,包括人类在内的动物也拥有这种隐色素,它是人类生物钟调节的一部分。获得诺贝尔奖的生物钟研究集中在周期基因上,但隐色素同样重要,因此也被称为生物钟受体。但是在人体内,生物钟受体不在眼睛里,而是在人体的其他细胞里,包括大脑的一部分。

在果蝇CRYs突变体中,可以观察到果蝇的生物钟紊乱。尹平的团队通过比较果蝇和拟南芥晶体结构,发现它们的PHR结构域是相似的。

尹平认为,未来可能会开发出一种新的“绳索”来人工控制隐色素,从而控制植物的感光过程。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41594-020-0410-z

标题:科学家“看见”植物蓝光受体被“束缚”过程

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