南科大杜嘉木组揭示光周期调控开花的关键机制

近日，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，该课题组聚焦于日照长度控制的光周期调控开花途径中关键转录因子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。

图1 .CO-CCT-NF-Y与FT CORE的复合物整体结构

（A）拟南芥CO，NF-YB3,NF-YC4的结构域概览，为获得复合物，NF-YC4-HFD结构域与CO-CCT结构域经(GS)6铰链相连接，该重组蛋白片段与NF-YB3-HFD结构域共表达。（B）CO-CCT-NF-Y和FT CORE2复合物的晶体。（C）CO-CCT-NF-Y和FT CORE2复合物的整体结构，CO-CCT 为青色、NF-YB3为绿色、NF-YC4为紫色、FT CORE2为浅黄色。（D）彩色的CO-CCT-NF-YB3/YC4-CORE2复合物与银白色的CO-CCT-NF-YB2/YC3-CORE1复合物结构比对, 二者结构构象相似。（E）彩色CO-CCT-NF-YB3/YC4与银色NF-YB6/YC3 (PDB码: 5G49) 结构比对，发现HFD 结构域的构象基本相同，HFD，组蛋白折叠结构域。

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 的弯曲，并将DNA小沟从12Å 拓宽至20 Å，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，随即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。

图2 CO-NF-Y复合物对于FT的特异性识别及调控模型

注：根据这个模型，CO 蛋白的B-Box 结构域可以聚集成四聚体，于是牵引4个CO-CCT-NF-YB/YC三聚体去特异性结合 FT 启动子区域的CORE1, CORE2 和 P1/P2。这种多重结合可以提升亲和力和特异性。

本文第一作者为来自于中科院分子植物卓越中心/上海植物逆境中心的访问博士生吕莘辰，通讯作者为南方科技大学生命科学学院杜嘉木教授。上海植物逆境中心何跃辉研究员，Chanhong Kim研究员以及南方科技大学吴柘教授对本研究进行了指导。国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U线站工作人员为该工作提供了及时有效的支持。该研究得到了国家重点研发计划(2016YFA0503200)，深圳市科创委重点项目，广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室(2019KSYS006)和南方科技大学(G02226301)等的资助。

文章链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33693873/