華中農大殷平課題組揭示藍光受體CRY2激活的分子機制

Nature Plants | 華中農大殷平課題組揭示藍光受體CRY2激活的分子機制

責編 | 逸雲

光受體是光調控植物生長發育過程中的重要媒介，在植物整個生長周期中都起到關鍵作用。隱花色素Cryptochromes （CRYs）是一類廣泛存在於動植物中的藍光受體。在植物中，CRYs主要參與調控光形態建成、開花時間、生物節律性等重要生長發育過程。CRYs在植物中還發揮其他的功能，包括植物晝夜節律、氣孔開放、根系生長、滲透脅迫反應、避蔭、葉片衰老等的調節。

CRYs有兩個結構域，N端的PHR結構域及C端的CCE 結構域。CRYs的PHR結構域非共價結合一分子黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。CRYs被藍光激活後會產生多種響應，包括FAD的光還原、寡聚化等等。藍光激活的CRYs發生寡聚化是一種在進化上極為保守的現象，與生物體內CRYs的光反應特性高度相關。寡聚的CRYs蛋白可以與下遊的轉錄因子（CIBs、PIFs、IAAs等）或生長調控因子（COP1/SPA1等）互作，從而調控植物的生長發育。得益於這種光調控的聚合性質，CRYs也被廣泛應用於光遺傳學中。但藍光如何誘導CRYs發生寡聚化至今並不清楚。

2020年11月16日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學技術學院殷平教授實驗室在Nature Plants發表了題為Structural insights into the photoactivation of Arabidopsis CRY2的研究論文，揭示了植物藍光受體隱花色素CRY2光激活的分子機制。

該研究開發了一套方法，在製備冷凍電鏡樣品前用藍光處理CRY2蛋白，在光照後極短的時間（<7s）內迅速將蛋白冷凍停留在寡聚激活狀態。通過這種方法，成功解析了藍光激活的CRY2四聚體狀態的冷凍電鏡結構，解析度為3.1 Å（圖1）。通過與此前報導的黑暗狀態下單體CRY2的晶體結構比對以及化學計算，該研究發現，藍光激活CRY2的FAD結合口袋的體積變大。通過生化分析驗證發現，FAD結合口袋的鬆弛會導致CRY2蛋白的寡聚化。該研究闡明了CRY2光誘導寡聚化的分子機制，也闡明了FAD光還原如何導致其寡聚化的分子機理。

圖1. 光激活的CRY2四聚體結構

值得一提的是，今年5月，殷平教授課題組在Nature Structural & Molecular Biology上發表論文報導了BIC2蛋白抑制CRY2激活的分子機制（點擊查看：植物藍光受體CRY的結構和光激活機制）。這一系列的關於藍光受體CRY2的激活和抑制研究將會促進深入理解植物光信號傳導調控，為農業生產和糧食安全提供有用信息，也為CRYs在光遺傳學操作中調控蛋白的開發提供了新的思路。

馬羚博士為本論文第一作者，殷平教授和南方科技大學龔欣教授為共同通訊作者。華中農業大學校級蛋白質平臺為該研究的開展提供了強有力的支持。前期冷凍樣品製備和樣品篩選主要在華中農業大學電鏡平臺完成，冷凍電鏡數據收集在南方科技大學冷凍電鏡中心完成。該研究受到了科技部基金、國家自然科學基金、校自主創新基金的資助。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41477-020-00800-1