蛋白质设施用户揭示转录因子CO调控开花的分子机制

内容来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

2021年1月25日，国家蛋白质科学研究（上海）设施用户南方科技大学生命科学学院植物与食品研究所杜嘉木课题组在 Plant Cell 杂志上在线发表题为 Structural insights into the multivalent binding of Arabidopsis FT promoter by the master transcription factor CO-NF-Y complex 的研究论文，报道了在植物开花转变过程中，关键的转录因子CONSTANS (CO) 通过其C端CCT结构域调控成花素基因FT转录的分子机制。  

花期转变是植物生命周期中从营养生长进入生殖生长的重要抉择。多种外界环境因素包括光照和温度等，以及植物内部的生长和激素水平都可以转换为基因调控事件来影响成花素FT的合成进而影响花期转变。在前期工作中，杜嘉木课题组在Nature Genetics、Nature Communications，Nature Plants及Plant Cell等杂志上发表了多篇高水平论文，详尽的展示了不同的组蛋白甲基化酶，组蛋白去甲基化酶以及染色质重塑因子在植物花期调控中的分子作用机制。  

在本研究中，该课题组聚焦于光周期调控开花途径中更为直接的开花调控，关键转录因子CO对成花素 FT基因的调控。研究首先通过生物膜干涉实验，发现CO-CCT-NF-YB/YC复合物对于此前所鉴定的潜在CO作用靶点CORE1、CORE2、P1、P2具有相似的亲合力。随后分别解析了CO-CCT结构域、NF-YB、NF-YC以及FT启动子区的顺式作用元件CORE2或者CORE1 DNA的四元复合物结构。  

 
拟南芥CO-NF-YB/YC与FT CORE2 DNA的复合物结构  

基于结构信息分析，发现CO-NF-YB/YC 可以通过Arg331, Arg338, Arg340及Arg344与核酸碱基之间形成氢键及电荷相互作用，实现对于CORE1、CORE2、P1、P2所共有的TGTG序列产生特异性识别。Phe345的苯环插入了碱基对之间，使得DNA出现了 60  度的弯曲，并将DNA小沟从12埃 拓宽至20 埃 。使得CO可以通过小沟获取到DNA的序列信息并加以特异性识别。  

通过EMSA实验，研究者发现FT的启动子区域可以通过不同的结合位点结合多个CO-CCT-NF-YB/YC复合物。多个CO-CCT-NF-YB/YC复合物结合到FT启动子区的过程中是否存在协同效应，随及引起了研究人员的好奇。而位于CO氮端的 B-Box domain，在体外下拉实验中，显示其可与自身产生相互作用。在静态光散色实验中，展现出了多聚状态。因此，研究人员提出了以下模型：CO蛋白通过B-Box实现聚合，通过CCT 与NF-YB/YC形成复合物，高效识别FT启动子区域的多个TGTG元件, 实现对于FT启动子区域的精准调控。 CO调控FT的分子模型  

国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U1线站工作人员为其X射线晶体学衍射数据收集提供了及时有效的支持。