科学家“看见”植物蓝光受体被“束缚”过程

BIC2-CRY2 PHR复合物的结构。a, CRY2与BIC2蛋白的结构域示意图。b, BIC2-CRY2 PHR复合物的结构。青色表示CRY2 PHR，小麦色表示BIC2。复合物中结合了一分子FAD、一分子镁离子以及一分子AMP。c, BIC2-CRY2 PHR复合物的表面。殷平供图

BIC2与CRY2 PHR的互作界面。BIC2中参与CRY2 PHR互作的区域主要包括4个螺旋和一个loop区域。BIC2中参与互作的氨基酸用黑色表示，CRY2中参与互作的氨基酸由蓝色表示。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的生命活动。

5月11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关于蓝光受体隐花色素抑制状态的晶体结构。“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一定工作基础，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。它的作用就相当于一个感应光的天线。当它接受了光信号，就可以“告诉”植物什么时候可以开始发育生长。

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。

此前，科学家已经研究了光信号传递的整个过程。“我们主要用结构生物学来研究光信号传递过程当中，植物细胞所采用的策略或者所处的状态，即研究植物感受外界蓝光信号的调控方式。”殷平说。

2016年，美国加州大学教授林辰涛和福建农林大学教授王琴在拟南芥中鉴定出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。

隐花色素有两个结构域，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。蓝光激活的隐花色素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。这些变化有利于隐花色素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。

殷平解释道，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博士介绍，他们发现，BIC2呈现为极其扩展的结构，蜿蜒曲折的绕着CRY2 上的一处沟槽，与CRY2形成广泛的氢键和疏水相互作用。这种广泛的互作可能占据了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，和隐花色素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。在光还原过程中，FAD接受外界电子变为FAD·-，CRY2的D393提供一个质子使FAD·-变为FADH·。通过分子模拟发现，BIC2的结合使电子及质子传递的路径变长，从而阻碍电子及质子传递，抑制FAD的光还原。

马羚介绍，通过序列比对，他们还发现，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这种隐花色素，而且它是人生物钟调控的一部分。获得诺贝尔奖的生物钟研究针对的是period基因，但其实隐花色素和它同样重要，因此又被称为生物钟受体。但在人体中，生物钟受体不在眼睛里，而是在人体中别的细胞里面，包括大脑的一部分。

在果蝇的CRYs突变体中可以观察到，果蝇的生物钟紊乱。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，将来也许可以开发一种新的“绳子”来人为调控隐花色素，从而控制植物的感光过程。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41594-020-0410-z