Cell Research | 王继纵课题组与邓兴旺课题组合作揭示植物远红光受体phyA高度光敏感性的分子机制

光既是植物生长的能量来源，也是调控植物整个生长发育过程的重要信号分子。光敏色素（phytochrome）是植物的红光/远红光（600-750 nm）受体，利用共价结合的线性四吡咯环化合物（phytochromobilin，PΦB）作为发色团。光敏色素有红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）两种主要构象形式。在植物中，Pr形式存在于胞质中，在光激活后以Pfr形式转移到细胞核中，继而调节植物整个生长过程。高等植物主要编码以phyA和phyB为代表的两类光敏色素受体。PhyB是介导经典红光/远红光可逆低辐照响应（LFR）或红光高辐照响应（R-HIR）的主要红光受体，而phyA则负责极低辐照响应（VLFR）和远红光高辐照度响应（FR-HIR），因此其具有更高的光敏性。2022年全长phyB的Pr结构在Nature杂志报道，但没有phyA的全长结构影响从从分子结构角度对phyA和phyB特定感光性质和植物光敏色素类受体信号转导机制的理解。

2023年7月25日，王继纵课题组与邓兴旺课题组合作在Cell Research发表了题为Structural insights into plant phytochrome A as a highly sensitized photoreceptor的研究论文，解析了双子叶植物拟南芥AtphyA-Pr，单子叶植物玉米ZmphyA1-Pr以及拟南芥未结合PΦB的phyA（apo-AtphyA）的三种全长蛋白的高分辨率冷冻电镜结构（分辨率依次为3.0 Å，3.3 Å，3.8 Å），结合光谱吸收分析，详细揭示了植物phyA高度光敏感性与生理功能特异性的分子基础。此外，最近来自美国Washington University in St. Louis的Richard D. Vierstra研究组与Van Andel Institute的Huilin Li研究组合作（Burgie et al., Nature Plants 2023），以及来自华中农业大学的殷平研究组（Wang et al., Cell Research 2023），分别独立报道了拟南芥phyA-Pr状态的分子结构，同我们报道的AtphyA-Pr结构一致。

首先，通过比对AtphyA-Pr和apo-AtphyA（也是第一个apo形式的phy结构）两种形式的结构，发现两者是高度相似的不对称同源二聚体（图1），然而在PΦB结合区域存在显著的差异。Apo-phyA的α5螺旋的Tyr327可与PΦB的D环产生明显的空间位阻，因此，AtphyA-Pr的α5螺旋向外移动，以容纳大部分PΦB并促进它们之间共价键的形成（图1）。此外，这两个结构还对PΦB如何进入其结合口袋提供重要提示。PHY结构域中突出的tongue含有两个与PΦB结合口袋互作的基序：WGG和PRSSF，并在植物phys中，二者之间的开放结构可能形成PΦB的入口。在AtphyA-Pr中，PRSSF基序通过其Phe554的疏水相互作用与GAF的α5螺旋接触，而在apo-AtphyA中，其GAF的α5螺旋则与PRSSF基序距离太近而产生较大的空间位阻。因此，apo-phyA的PHY结构域中tongue的WGG基序下游部分都相较phyA-Pr更无序，从而促进了PΦB进入其结合口袋（图1）。

图1. 拟南芥apo和Pr形式的phyA结构比较（a）和差异细节（b），揭示发色团PΦB组装到phy蛋白的分子机制。

第二，通过比对AtphyA-Pr和ZmphyA1-Pr（也是第一个作物来源的phy全长蛋白结构）两种形式的结构，发现两者在PΦB结合、二聚体的结构域组织等方面都是高度相似的（图2），这说明了高等植物的phyA在功能机制方面的保守性，但该研究也在蛋白光谱分析中观察到玉米phyA的特殊性，后续研究将进一步探索其中的分子机制。
 

图2. 拟南芥和玉米Pr形式的phyA结构比较，揭示高等植物phyA功能机制的保守性。

最后，通过比对AtphyA-Pr和之前已被报道的AtphyB-Pr的结构，发现两者最显着的差异在于其C末端HKRD二聚体相对N末端PSM-PAS2四边形平台的倾斜角度不同。AtphyB-Pr的较大倾角(53°)导致HKRD和PSM间发生了充分互作，而AtphyA-Pr的倾角较小(30°)，因此这两个结构域间互作较少（图3）。先前的研究表明，phyA光敏感程度较高且介导VLFR，而将HKRD去掉的AtphyB的光敏性与AtphyA相当。而对于AtphyA，全长AtphyA（AtphyA-FL）和HKRD截短的AtphyA（AtphyA-ΔHKRD）都可以有效地感知低辐照度的红光，表现出类似的光敏性；Pr→Pfr光转化的动力学也表明在AtphyA-ΔHKRD中Pfr构象异构体的比例更高，光转化速率更快（图3）。综上所述，以上结构观察和生化分析为phyA的高度光敏感性提供了合理的解释：生理条件下phy蛋白在Pr-Pfr之间切换中保持动态平衡，而蛋白构象的稳定性促使这种平衡的改变。phyB-Pr形式的HKRD-PSM互作比phyA-Pr中更广泛，表明其构象稳定性更高，而phyA-Pr的较低稳定性更有利于Pr到Pfr的光转换，这将有助于提高phyA的光敏感性。

图3. 拟南芥Pr形式的phyA和phyB结构比较，揭示植物phyA高度光敏感性的分子机制。

北京大学现代农业研究院为论文第一单位。北京大学现代农学院、北京大学现代农业研究院王继纵研究员和邓兴旺教授为该论文的通讯作者。北京大学博士研究生张雨萱，北京大学现代农业研究院林晓莉博士和赵珺博士，北京大学副研究员马成英博士为论文共同第一作者。北京大学生命科学学院高宁教授参与了该研究并作出了重要指导和贡献。冷冻样品制备、样品筛选和数据收集在北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台完成。该研究得到了国家自然科学基金，中科协青年人才托举工程，山东省科技厅科学技术创新基金，北京大学现代农业研究院（小麦育种全国重点实验室），北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室相关经费的资助。

近期三篇phyA-Pr结构的相关文献：

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