人才强校 | 生物学院李继刚教授课题组合作揭示植物远红光受体铰链区的重要调控功能
本网讯 近日，国际著名学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)在线发表了中国农业大学生物学院/植物生理学与生物化学国家重点实验室李继刚教授课题组和北京大学现代农学院/蛋白质与植物基因研究国家重点实验室邓兴旺院士课题组合作完成的题为 “Hinge region of Arabidopsis phyA plays an important role in regulating phyA function” 的研究论文。该研究发现拟南芥远红光受体phyA铰链区的三个位点(S590、T593和S602)对于phyA发挥正常的功能非常重要，并且调控phyA在植物体内的蛋白磷酸化。此外，该研究进一步挖掘磷酸化的phyA在远红光信号传递中所扮演重要的角色，揭示其可能是一种更有活性的phyA形式。
太阳光中波长700-750 nm的区段为远红光(far-red light)。远红光对于植物是一个重要的环境信号，调控其生长和发育的多个过程，比如避荫反应和种子萌发等。植物通过光受体——光敏色素A(Phytochrome A, phyA)感知远红光信号。在黑暗下，phyA在细胞质中以非活性的Pr形式合成；感受远红光信号后，phyA的构象发生改变，转变为活性的Pfr形式。Pfr形式的phyA进而与FHY1/FHL蛋白直接相互作用，在其帮助下进入细胞核。在细胞核中，phyA通过抑制COP1和SPA蛋白的互作，抑制COP1/SPA形成E3泛素连接酶复合体，从而促进光形态建成正调控因子(比如转录因子HY5)的积累和远红光信号应答反应。在李继刚课题组最近的研究中，发现植物中远红光信号传递的新组分TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3 (TZP)，与phyA相互作用并参与调控phyA在细胞核中的磷酸化，从而揭示磷酸化的phyA在远红光信号传递中可能起重要作用(Zhang et al., 2018, Plant Cell)。
phyA光受体蛋白的N端为光感受结构域，C端为二聚化和信号输出结构域，两个结构域之间由一小段灵活的铰链区相连接。在多年前人们对燕麦phyA的研究中，发现铰链区中有一个磷酸化位点(S599)可以调控燕麦phyA和其信号分子之间的相互作用；但是，phyA铰链区的序列多变，燕麦phyA铰链区的S599位点在其他物种的phyA蛋白中并不保守，因此拟南芥phyA铰链区是否有类似的重要调控位点并不清楚。
图.拟南芥phyA铰链区的三个位点(S590、T593和S602)对phyA发挥正常功能非常重要
在该研究中，李继刚/邓兴旺团队通过结合生物信息学预测和点突变研究，证明拟南芥phyA铰链区的三个位点(S590、T593和S602)对phyA发挥正常功能非常重要。将这三个位点一起突变为不能被磷酸化的丙氨酸(缩写为phyAAAA)或者模拟磷酸化的天冬氨酸(缩写为phyADDD)均显著削弱phyA的功能。进一步的研究表明，phyAAAA和phyADDD与FHY1/FHL的互作显著增强，但是并不影响phyA进入细胞核；此外，phyAAAA和phyADDD的Pfr形式在酵母中抑制COP1与SPA1互作的能力与phyAWT没有明显区别，表明phyAAAA和phyADDD的突变并不影响phyA形成活性的Pfr形式。有意思的是，将phyAAAA和phyADDD材料生长在远红光下时，phyA在细胞核中的磷酸化水平均显著降低；与之一致的是，在植物体内与COP1互作的磷酸化phyA的比例也显著降低。值得注意的是，phyAAAA突变造成的功能缺陷最显著，而该材料中磷酸化的phyA水平也最低。这些结果表明，磷酸化phyA的减少可能是造成phyAAAA和phyADDD功能缺陷的重要原因。
为了进一步研究磷酸化phyA的重要性，李继刚/邓兴旺团队检测了多个phyA相关材料(包括不影响phyA蛋白水平但是影响phyA功能的点突变体，phyA不能进入细胞核的材料，phyA组成型定位于细胞核的材料，以及phyA组成型处于Pfr活性形式的材料)中磷酸化phyA的水平，发现植物体内磷酸化phyA的水平确实和phyA的活性程度有严格的正相关性；此外，还揭示磷酸化phyA的产生需要同时满足两个条件：phyA处于细胞核中以及phyA处于Pfr形式，而这些条件恰好是phyA发挥功能的前提条件。因此，该研究进一步挖掘了磷酸化phyA形式在植物远红光信号传递中所扮演的重要角色，并且揭示拟南芥phyA铰链区三个可能的磷酸化位点能够调控植物体内磷酸化phyA的水平。此外，与先前燕麦phyA铰链区S599位点的研究报道比较后发现，单子叶和双子叶phyA铰链区的调控角色可能并不相同，表明phyA蛋白序列中最不保守的铰链区并不是无意义的接头序列，而可能包含重要的调控位点和发挥不同的调控功能。
中国农业大学生物学院博士生周杨杨和北京大学现代农学院博士后杨丽为该论文的共同第一作者，李继刚教授和邓兴旺院士为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、青年千人计划和美国国立卫生研究院的经费支持。