科学家“看见”植物蓝光受体如何被“缚”

BIC2-CRY2 PHR复合物的结构 殷平供图

光对植物而言非常重要。从发芽开始，植物必须感光才能进行一系列生命活动。近日，《自然—结构与分子生物学》在线发表了华中农业大学结构生物学研究团队有关蓝光受体隐花色素抑制状态晶体结构的论文。

“这项工作将为研究植物蓝光信号接收传递及调控的分子机制提供基础，也为隐花色素的光遗传学操作应用提供了一些新思路。”论文通讯作者、华中农业大学教授殷平告诉《中国科学报》。

植物体内有能够感受不同波长光的受体蛋白，通常被称为光受体。光受体是光调控植物生长发育过程中的重要媒介，在整个生长周期中均起到关键作用。它就相当于一个感应光的天线，接收了光信号之后，就可以“告诉”植物什么时候开始发育生长。隐花色素（CRYs）作为蓝光受体，参与调控光形态建成，如下胚轴伸长的抑制、开花起始、生物节律等重要发育过程。

之前，科学家曾在拟南芥中鉴定出BICs蛋白能够负调控CRYs的活性。“也就是说BICs蛋白阻断了‘天线’CRYs，使其无法感受光信号。”殷平说。然而，这种阻断作用如何发生并不清楚。

CRYs有两个结构域，包括N端的PHR结构域和C端的CCE结构域。其中PHR结构域非共价结合生色基团黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），对于蓝光的感知至关重要。蓝光激活的CRYs蛋白会产生多种生理生化响应，如FAD光还原、蛋白寡聚和磷酸化等。这些变化有利于CRYs与下游信号因子结合，调控植物生长发育。

“我们解析了拟南芥中CRY2蛋白的PHR结构域晶体结构，并首次解析了BIC2和CRY2结合后形成的复合物的晶体结构。通过结构比对、分子模拟以及生化实验分析，揭示了BIC2抑制CRY2激活的分子机理。”殷平说，从结构上可以看到，BIC2就好像一根绳子，把“天线”CRY2绑住了，让它不能跟其他蛋白结合从而传递信号。

论文共同第一作者马羚介绍，他们发现BIC2呈现为极扩展的结构，蜿蜒曲折地绕着CRY2上的一处沟槽，与CRY2形成广泛的氢键和疏水相互作用。这种相互作用可能占据了CRY2的寡聚位点，从而抑制了CRY2在蓝光介导下的寡聚化，甚至能促进CRY2寡聚体的解聚，使其保持在单体状态。并且，BIC2可以阻断CRY2寡聚体与下游转录因子CIB1的相互作用，从而阻断蓝光信号的传递。

“我们还看到一个更精细的结构，和CRYs的电子传递过程有关，那就是BIC2抑制了CRYs蛋白中生色分子FAD的光还原。”殷平说。

通过序列比对，研究人员还发现，不同植物物种中的BICs与CRYs蛋白互作的区域非常保守，预示这种抑制机制在植物中普遍适用。

实际上，动物包括人类也拥有CRYs，而且它是生物钟调控的一部分。研究人员表示，果蝇CRYs突变能使其生物钟紊乱。而殷平团队通过比较果蝇和拟南芥的CRYs晶体结构发现，二者的PHR结构域相似。

殷平认为，将来或能开发一种新的“绳子”人为调控CRYs，从而控制植物的感光过程。

来源：中国科学报