2024年9月23日，北京大学王继纵课题组与邓兴旺课题组合作在Cell发表了题为“Light-induced remodeling of phytochrome B enables signal transduction by phytochrome-interacting factor”的研究论文，通过单颗粒冷冻电镜结构解析、phyB突变体蛋白光谱测定、结合生化实验表征、以及转基因植物表型分析，对模式植物拟南芥光激活态光敏色素phyB结构和功能进行了深入分析，阐明了其光激活变构机理，并在此基础上提出了phyB光信号转导的最初反应机制。
高等植物主要编码以phyA和phyB为代表的两类光敏色素。phyA属于I型光敏色素（光敏感型），主要在幼苗见光之前的黄化苗阶段大量存在，见光之后迅速被降解，主要作为远红光受体发挥功能；而phyB则属于II型光敏色素（光不敏感型），在光下也可以稳定存在，是介导可逆红光响应的主要红光受体。phyA或phyB都是由脱辅基蛋白二聚体共价结合四吡咯发色团（phytochromobilin, PΦB）的形式存在。光敏色素通过发色团PΦB在红光吸收态（Pr，基态）以及远红光吸收态（Pfr，激活态）之间进行可逆转变。拟南芥phyB被光激活后，可以直接与一类光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factor，PIF)互作，传递光信号并调控下游基因表达，促进光形态建成。因此phyB和PIFs构成了植物响应周围光环境的关键信号模块。拟南芥中8个PIF成员（PIF1-8）均包含两个重要结构域：N端为结合phyB-Pfr的激活态结合域（Active-PHYB Binding motif，APB），C端为结合DNA的bHLH二聚化结构域。在黑暗条件下，phyB-Pr定位于细胞质中，PIF1/3/4/5在核中作用驱动幼苗暗形态建成的发育过程（下胚轴伸长，子叶闭合）。一旦幼苗感知红光，phyB-Pfr入核进而负调控上述PIFs，抑制下胚轴伸长和促进子叶展开，并维持植物光生长形态。尽管2022年美国Vierstra团队在Nature发文揭示了phyB-Pr的结构，但phyB-Pfr及其识别PIF的结构生物学基础及其调控机理仍然未知。
图1. 植物光敏色素的紫外-可见光吸收谱图（引自Li, et al. 2011）
这项研究首次报道了光激活态光敏色素phyB-Pfr以及不依赖于光的组成型激活突变体phyBY276H分别结合下游信号分子PIF6的复合物高分辨率冷冻电镜结构。首次发现光激活导致phyB-Pr发生大规模结构重排，即phyB感光模块(photosensory module, PSM)从Pr状态下“头对尾”二聚体转变为Pfr状态下“头对头”二聚体，且只能结合一个PIF6-APB单体，最终形成phyB-PIF6不对称三聚体（图2）。
图2. phyB-Pfr-PIF6（B）和phyBY276H-PIF6（C）均为不对称三聚体，整体结构几乎完全一致（D），且均与文献报道的phyB-Pr（A）二聚化方式存在明显差异
基于结构发现和实验表征，作者揭示了phyB光激活变构的详细分子机制。红光照射导致发色团小分子PΦB构象变化，进一步引起PHY结构域舌状突出结构由β片层向α螺旋的构象转变，新形成的α螺旋破坏了phyB-Pr“头对尾”二聚体的稳定性，导致phyB构象的进一步重塑，最终形成的phyB-Pfr结构提供了结合PIF-APB的可能。随即一分子PIF通过“诱导契合”的方式结合至phyB-NTE，同时进一步维持了phyB-Pfr“头对头”二聚体的稳定，最终形成phyB-PIF信号复合物（图3）。
此外，作者报道的phyBY276H-PIF6复合物结构中，PΦB虽然不具备光激发变构驱动phyB蛋白构象变化的能力，但它对于phyBY276H始终保持Pfr类似构象必不可少。结构比对表明phyBY276H-PIF6复合物结构与phyB-Pfr-PIF6几乎完全一致。
图3. 红光激活phyB并转导PIF信号的结构机制模型
研究团队表示，尽管已经揭示了phyB光激活的变构机理以及phyB-Pfr特异性识别并结合PIFs-APB的机制，还有待于进一步阐释phyB-Pfr不对称二聚体的形成机制，并基于此探究系列激活态phyB与下游因子的互作方式，为phyB蛋白在作物性状精准改良以及“光遗传学”工具开发等研究提供更充足的理论支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01023-7
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