科学家揭示植物蓝光受体CRY光激活机制

5月11日，Nat Struct & MolBiol在线发布了中国科学院分子植物科学卓越中心张鹏研究组和刘洪涛研究组的合作研究成果。该研究报道了玉米和拟南芥蓝光受体CRY蛋白PHR结构域被激活的寡聚体的三维结构，揭示了植物蓝光受体CRY光激活的分子机制。

隐色素Cry是一种进化保守的黄素蛋白，具有多种生物学功能。叫声在调节动物的昼夜节律中起作用。在植物中，CRY调节植物生长和发育的许多方面，包括下胚轴伸长和开花开始。CRY蛋白由一个进化上保守的N末端光解酶同源PHR结构域和一个可变长度的C末端CCT结构域组成。PHR结构域结合发色团FAD，吸收蓝光并被激活，然后与下游蛋白质相互作用以传递光信号。然而，植物CRY蛋白如何被蓝光激活并最终与下游蛋白相互作用的关键科学问题仍未解决。

研究人员利用昆虫细胞表达系统重组表达植物中的多种CRY蛋白，并在体外重建植物CRY蛋白的光激活过程。然后，利用单粒子冷冻电镜和X射线晶体学方法，分析了拟南芥生理状态激活突变体AtCRY2W374A蛋白和玉米ZMC Cry1CW 368A(和ZMC Cry1A)蛋白的N端PHR结构域的二聚体和四聚体结构。基于这些结构发现，研究人员进行了体外生化分析和体内生理实验，证实了同源二聚体是植物CRY的活性形式，而四聚体是由二聚体的进一步二聚化形成的。研究人员通过将获得的活化的CRY-PHR结构与先前报道的非活性结构进行比较，解释了CRY活化过程中的构象变化。

最后，研究者总结并提出植物光感受器CRY介导的光信号传递主要包括三个分子过程:蓝光诱导光还原、构象变化形成活性二聚体、光信号传递与下游蛋白结合。任何影响上述三个过程的突变或调节蛋白都会影响植物光信号的传递过程。

值得注意的是，基于序列的比对结果表明，这种机制可能只在植物中广泛存在。

本研究不仅揭示了植物光感受器CRY光激活的分子机制，而且为CRY作为光遗传学领域光控制开关的设计和应用奠定了重要的分子基础。

这项工作由国家重点研究发展计划、中国科学院分子植物试点项目B、国家自然科学基金和上海市科学技术委员会共同资助。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41594-020-0420-x