光既是植物生長的能量來源，也是調(diào)控植物整個(gè)生長發(fā)育過程的重要信號分子。光敏色素（phytochrome）是植物的紅光/遠(yuǎn)紅光（600-750 nm）受體，利用共價(jià)結(jié)合的線性四吡咯環(huán)化合物（phytochromobilin，PΦB）作為發(fā)色團(tuán)。光敏色素有紅光吸收型（Pr）和遠(yuǎn)紅光吸收型（Pfr）兩種主要構(gòu)象形式。在植物中，Pr形式存在于胞質(zhì)中，在光激活后以Pfr形式轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，繼而調(diào)節(jié)植物整個(gè)生長過程。高等植物主要編碼以phyA和phyB為代表的兩類光敏色素受體。PhyB是介導(dǎo)經(jīng)典紅光/遠(yuǎn)紅光可逆低輻照響應(yīng)（LFR）或紅光高輻照響應(yīng)（R-HIR）的主要紅光受體，而phyA則負(fù)責(zé)極低輻照響應(yīng)（VLFR）和遠(yuǎn)紅光高輻照度響應(yīng)（FR-HIR），因此其具有更高的光敏性。2022年全長phyB的Pr結(jié)構(gòu)在Nature雜志報(bào)道，但沒有phyA的全長結(jié)構(gòu)影響從分子結(jié)構(gòu)角度對phyA和phyB特定感光性質(zhì)和植物光敏色素類受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的理解。
2023年7月25日，王繼縱課題組與鄧興旺課題組合作在Cell Research發(fā)表了題為Structural insights into plant phytochrome A as a highly sensitized photoreceptor的研究論文，解析了雙子葉植物擬南芥AtphyA-Pr，單子葉植物玉米ZmphyA1-Pr以及擬南芥未結(jié)合PΦB的phyA（apo-AtphyA）的三種全長蛋白的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（分辨率依次為3.0 ?，3.3 ?，3.8 ?），結(jié)合光譜吸收分析，詳細(xì)揭示了植物phyA高度光敏感性與生理功能特異性的分子基礎(chǔ)。此外，最近來自美國Washington University in St. Louis的Richard D. Vierstra研究組與Van Andel Institute的Huilin Li研究組合作（Burgie et al., Nature Plants 2023），以及來自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的殷平研究組（Wang et al., Cell Research 2023），分別獨(dú)立報(bào)道了擬南芥phyA-Pr狀態(tài)的分子結(jié)構(gòu)，同我們報(bào)道的AtphyA-Pr結(jié)構(gòu)一致。
首先，通過比對AtphyA-Pr和apo-AtphyA（也是第一個(gè)apo形式的phy結(jié)構(gòu)）兩種形式的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩者是高度相似的不對稱同源二聚體（圖1），然而在PΦB結(jié)合區(qū)域存在顯著的差異。Apo-phyA的α5螺旋的Tyr327可與PΦB的D環(huán)產(chǎn)生明顯的空間位阻，因此，AtphyA-Pr的α5螺旋向外移動(dòng)，以容納大部分PΦB并促進(jìn)它們之間共價(jià)鍵的形成（圖1）。此外，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)還對PΦB如何進(jìn)入其結(jié)合口袋提供重要提示。PHY結(jié)構(gòu)域中突出的tongue含有兩個(gè)與PΦB結(jié)合口袋互作的基序：WGG和PRSSF，并在植物phys中，二者之間的開放結(jié)構(gòu)可能形成PΦB的入口。在AtphyA-Pr中，PRSSF基序通過其Phe554的疏水相互作用與GAF的α5螺旋接觸，而在apo-AtphyA中，其GAF的α5螺旋則與PRSSF基序距離太近而產(chǎn)生較大的空間位阻。因此，apo-phyA的PHY結(jié)構(gòu)域中tongue的WGG基序下游部分都相較phyA-Pr更無序，從而促進(jìn)了PΦB進(jìn)入其結(jié)合口袋（圖1）。
圖1. 擬南芥apo和Pr形式的phyA結(jié)構(gòu)比較（a）和差異細(xì)節(jié)（b），揭示發(fā)色團(tuán)PΦB組裝到phy蛋白的分子機(jī)制。
第二，通過比對AtphyA-Pr和ZmphyA1-Pr（也是第一個(gè)作物來源的phy全長蛋白結(jié)構(gòu)）兩種形式的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩者在PΦB結(jié)合、二聚體的結(jié)構(gòu)域組織等方面都是高度相似的（圖2），這說明了高等植物的phyA在功能機(jī)制方面的保守性，但該研究也在蛋白光譜分析中觀察到玉米phyA的特殊性，后續(xù)研究將進(jìn)一步探索其中的分子機(jī)制。
圖2. 擬南芥和玉米Pr形式的phyA結(jié)構(gòu)比較，揭示高等植物phyA功能機(jī)制的保守性。
最后，通過比對AtphyA-Pr和之前已被報(bào)道的AtphyB-Pr的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩者最顯著的差異在于其C末端HKRD二聚體相對N末端PSM-PAS2四邊形平臺的傾斜角度不同。AtphyB-Pr的較大傾角(53°)導(dǎo)致HKRD和PSM間發(fā)生了充分互作，而AtphyA-Pr的傾角較小(30°)，因此這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域間互作較少（圖3）。先前的研究表明，phyA光敏感程度較高且介導(dǎo)VLFR，而將HKRD去掉的AtphyB的光敏性與AtphyA相當(dāng)。而對于AtphyA，全長AtphyA（AtphyA-FL）和HKRD截短的AtphyA（AtphyA-ΔHKRD）都可以有效地感知低輻照度的紅光，表現(xiàn)出類似的光敏性；Pr→Pfr光轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)也表明在AtphyA-ΔHKRD中Pfr構(gòu)象異構(gòu)體的比例更高，光轉(zhuǎn)化速率更快（圖3）。綜上所述，以上結(jié)構(gòu)觀察和生化分析為phyA的高度光敏感性提供了合理的解釋：生理?xiàng)l件下phy蛋白在Pr-Pfr之間切換中保持動(dòng)態(tài)平衡，而蛋白構(gòu)象的穩(wěn)定性促使這種平衡的改變。phyB-Pr形式的HKRD-PSM互作比phyA-Pr中更廣泛，表明其構(gòu)象穩(wěn)定性更高，而phyA-Pr的較低穩(wěn)定性更有利于Pr到Pfr的光轉(zhuǎn)換，這將有助于提高phyA的光敏感性。
圖3. 擬南芥Pr形式的phyA和phyB結(jié)構(gòu)比較，揭示植物phyA高度光敏感性的分子機(jī)制。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院王繼縱研究員和鄧興旺教授為該論文的通訊作者。北京大學(xué)博士研究生張雨萱，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院林曉莉博士和趙珺博士，北京大學(xué)副研究員馬成英博士為論文共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧教授參與了該研究并作出了重要指導(dǎo)和貢獻(xiàn)。冷凍樣品制備、樣品篩選和數(shù)據(jù)收集在北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺完成。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，中科協(xié)青年人才托舉工程，山東省科技廳科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新基金，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院（小麥育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)經(jīng)費(fèi)的資助。
近期三篇phyA-Pr結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)：
Burgie et al., The structure of Arabidopsis phytochrome A reveals topological and functional diversification among the plant photoreceptor isoforms. Nature Plants 9:1116-1129. (2023)
Wang et al., Plant phytochrome A in the Pr state assembles as an asymmetric dimer. Cell Research (2023) https://doi.org/10.1038/s41422-023-00847-7
Zhang et al., Structural insights into plant phytochrome A as a highly sensitized photoreceptor Cell Research (2023) https://doi.org/10.1038/s41422-023-00858-4