【学术前沿】Cell Res | 北京大学王继纵/邓兴旺揭示植物远红光受体phyA高度光敏感性的分…

光敏色素（phys）最早在植物中发现，是一种红色和远红色的感光体，后来也广泛存在于细菌和真菌中。植物物理利用称为光致变色素（PΦB）的线性四吡咯发色团。Phys通过光转换在吸收红光的Pr和吸收远红光的Pfr构象之间可逆切换，吸收峰在~667 nm和~730 nm。Pfr构象可以在黑暗中转化为Pr，这一过程被称为暗反转或热反转。在植物中，Pr构象异构体存在于细胞质中；在光转化时，Pfr构象异构体被转移到细胞核中，导致整个植物生命周期中大量的生理和发育变化。

2023年7月25日，北京大学王继纵及邓兴旺共同通讯在Cell Research在线发表了题为“Structural insights into plant phytochrome A as a highly sensitized photoreceptor”的研究论文，该研究揭示植物光敏色素A作为一种高度感光的光感受器的结构见解。为了解决phyA的结构问题，该研究在昆虫细胞中表达了全长双子叶植物拟南芥phyA（AtphyA）和单子叶植物玉米phyA1（ZmphyA1）蛋白，并在大肠杆菌细胞中表达PΦB发色团。

尺寸排阻色谱分析表明，无PΦB的phyA（apo-phyA）和phyA的Pr构象体（phyA-Pr）具有相似的分子量，约为250 kDa。phyA-Pr蛋白的吸收峰为665 nm，但移动到725 nm。结合phyA蛋白溶液的青色和锌诱导的荧光测定，这些结果证实了phyA蛋白是正确组装的。总之，该研究为phyA是一种高度敏感的光感受器提供了一个机制解释。Phy蛋白存在于Pr和Pfr状态之间的平衡中。因此，phy蛋白的构象稳定性可能在改变这种平衡中发挥作用。

高等植物拟南芥编码五个phy基因，命名为phyA–E。PhyB是介导经典红光/远红光可逆低通量响应（LFR）或红光高辐照度响应（R-HIR）的主要红光受体。在成年植物中，PhyC–E大多与phyB具有互补功能。PhyA不同于其他phys，并负责宽光谱下的极低通量响应（VLFR）和远红光高辐照度响应（FR-HIR）。因此，phyA比phyB具有更高的光敏性，并且本质上对光更敏感。

在高等植物中，phys共享一个保守的结构域结构，该结构域由一个N-末端光敏模块（PSM）、两个串联的Period/ARNT/Singlemind（PAS）结构域和一个C-末端组氨酸激酶相关结构域（HKRD）组成。PSM包括四个连续的结构域：N-末端延伸（NTE）、N-末端PAS（nPAS）、cGMP磷酸二酯酶/腺苷酸环化酶/FhlA（GAF）和光敏色素特异性（PHY）结构域。HKRD可进一步分为二聚化组氨酸磷酸转移（DHp）和催化ATP结合（CA）亚结构域。尽管已经报道了几种与phyB相关的结构，但全长phyA的结构仍然缺乏，阻碍了phyA和phyB之间结构差异的表征。

该研究分别以3.8 Å，3.0 Å和3.3 Å的分辨率求解了apo-AtphyA、AtphyA-Pr和ZmphyA1-Pr的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构。这三种蛋白质形成具有保守拓扑结构的相似同源二聚体。在同二聚体结构中，两个PSM–PAS2模块的“头到尾”填充形成了一个平行四边形平台，占据了~9000Å2的表面积。同源二聚体HKRD填料“头对头”从PSM–PAS2平台突出，并略微向平台一侧倾斜。在所有重建的冷冻电镜图中，NTE的大部分和整个PAS1都没有明确定义。有趣的是，AtphyA-Pr和ZmphyA1-Pr的PAS1结构域在低通滤波的cryo-EM图中的位置不同。此外，PHY和PAS1之间的残基在两种phyA和其他PHY物种之间显著变化。

植物光敏色素A的Pr构象体的结构特征有助于其高光敏性（图源自Cell Research ）

结构比较显示，与AtphyA-Pr相比，AtphyB-Pr中的HKRD–PSM接触更广泛，表明其具有更高的构象稳定性。AtpyA-Pr的较低稳定性预计更有利于Pr到Pfr的光转换。这可能有助于AtphyA更高的光敏性。此外，AtphyA的热回复率比AtphyB低约18倍，表明与AtphyB-Pfr相比，AtphyA-Pfr的构象更稳定。AtphyA-Pr中PSM构象、PSM–PAS2相互作用和HKRD–PSM相互作用的差异是否有助于其Pfr稳定性仍有待研究。显然，phy蛋白在其Pfr构象中的结构将为其光谱特征提供进一步的机制见解。值得一提的是，除了构象稳定性外，phy蛋白的丰度、亚细胞定位和半衰期在这方面也很重要。

北京大学现代农业研究院为论文第一单位。北京大学现代农学院、北京大学现代农业研究院王继纵研究员和邓兴旺教授为该论文的通讯作者。北京大学博士研究生张雨萱，北京大学现代农业研究院林晓莉博士和赵珺博士，北京大学副研究员马成英博士为论文共同第一作者。北京大学生命科学学院高宁教授参与了该研究并作出了重要指导和贡献。冷冻样品制备、样品筛选和数据收集在北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台完成。该研究得到了国家自然科学基金，中科协青年人才托举工程，山东省科技厅科学技术创新基金，北京大学现代农业研究院（小麦育种全国重点实验室），北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室相关经费的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00858-4

原标题：《【学术前沿】Cell Res | 北京大学王继纵/邓兴旺揭示植物远红光受体phyA高度光敏感性的分子机制》

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