太阳光不仅是植物生长的能量来源，还是调节植物生长发育过程的关键信号。光敏色素是植物的红光/远红光感受器，作为植物的“眼睛”扮演重要角色。当下全球气候变化愈加频繁、耕地资源逐步缩紧，维护全球粮食安全是一严重挑战。过去近一个世纪，农作物产量的不断提高得益于越来越耐密植的作物新品种。将来作物产量进一步提高也将继续依赖于培育更耐密集种植的新品种。由于密植遮荫环境中植物的感光机理和耐密高产性状均和植物光敏色素蛋白息息相关，阐明植物光敏色素响应以及传递光信号的机制将有助于改善作物密植性能及对复杂环境的适应性，从而为粮食安全的保障做出贡献。

高等植物主要编码以光敏色素A（phyA）和光敏色素B（phyB）为代表的两类光敏色素，其中phyB是介导可逆红光响应的主要红光受体。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），其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不清楚。

2024年9月23日，研究院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，揭示了长期以来期待的phyB光信号转导的最初反应机制。

 

 

该研究解析了模式植物拟南芥光激活态phyB-Pfr以及不依赖于光的组成型激活突变体phyB^Y276H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（分辨率依次为3.1 Å，3.2 Å）。基于分子结构分析、结合突变体蛋白光谱性质测定、体外以及半体外生化实验表征、以及转基因植物的表型分析，揭示了光激活phyB由Pr转变为Pfr的详细分子机制，并提出了phyB和PIF之间“诱导-契合”的相互作用模型，填补了植物光敏色素信号传导机制研究的一个关键空白。

由于全长PIFs蛋白存在大量无序结构，体外重组表达以及组装phyB-PIF全长蛋白复合物存在相当大的困难。考虑到系列文献报道中PIFs的APB motif（N端100个氨基酸）足以介导其与phyB在体内及体外互作，研究者选取了结合能力最强的PIF6-APB（PIF6-100，仅N端100个氨基酸）进行phyB-PIF的复合物组装并制备冷冻样品。最终成功解析得到了phyB-Pfr-PIF6以及缺失HKRD结构域（仅含N端908个氨基酸）的phyB^Y276H-908-PIF6复合物的高分辨率冷冻电镜结构。结构分析表明phyB-Pfr在光激活之后发生大规模结构重排，其光感应模块（photosensory module, PSM）从Pr状态下“头对尾”转变为Pfr状态下“头对头”二聚体，且PIF6-APB单体结合在phyB-Pfr二聚体界面的一侧，组成phyB-PIF6三聚体。此外，phyB^Y276H-908-PIF6复合物结构与phyB-Pfr-PIF6几乎完全一致（图1）。

 

图1. phyB-Pfr-PIF6（B）和phyB^Y276H-PIF6（C）均为不对称三聚体

为了阐明光激活驱动phyB的结构重排，作者细致比对了之前文献报道的phyB-Pr及本研究获得的phyB-Pfr结构，发现发色团PΦB分子在吸收红光后，其D环翻转了180˚，并且和口袋中的系列氨基酸重新建立互作网络（图2A，左），最终导致PHY结构域里与其互作的舌状突出结构发生由β片层到α螺旋的构象转变（图2A，右）。结构分析表明，丝氨酸S584对于稳定α螺旋形式的舌状结构非常重要（图2A，右），进一步的体外生化以及转基因植物表型分析证明了S584对于维系phyB-Pfr激活状态和phyB信号通路至关重要（图2B）。

 

图2. 光诱导PΦB分子（A，左）和PHY结构域舌状突出结构（A，右）的构象转变及功能验证（B）

 

在Pr状态下，phyB的C末端结构域PAS2以及HKRD与N末端结构域GAF和PHY互作以维系“头对尾”二聚体构象。而在phyB-Pfr中，其PHY结构域的舌状突出结构转变为α螺旋后，会直接和Pr状态里的PAS2结构域发生空间冲突（图3A，左；图3B，左），从而破坏Pr状态下PAS2和PHY结构域之间的广泛互作，这会进一步破坏HKRD和PHY结构域（图3A，左；图3B，中），以及HKRD和GAF结构域（图3A，右；图3B，右）之间的分子内互作，这一系列的构象变化完全打破Pr状态下的“头对尾”结构，最终激活phyB。此外，缺失HKRD结构域的phyB截短体蛋白（phyB-908，仅含N端908个氨基酸）在光激活之后倾向于单体形式存在（图3C），进一步佐证了phyB-Pr在光激活后，原来由N端和C端模块互作维系的“头对尾”二聚体被打破，进而形成phyB-Pfr。

 

图3. PHY 结构域舌状突出结构的构象转变驱动phyB-Pr重构形成phyB-Pfr（A，B）及生化验证（C）

 

光激活后的phyB-Pfr分别利用其N末端的NTE结构域以及由整体N末端结构域形成的“头对头”二聚体，来识别和结合PIF6-APB的N末端和C末端（图4A）。PIF6-APB的N末端通过形成一个β发夹结构（PIF6-APB-β）与phyB-Pfr的NTE结构域发生广泛互作（图4B），而phyB-Pfr二聚体结构中另一分子phyB并不具备稳定结构的NTE，表明NTE的稳定结构是由PIF6-APB的结合所诱导形成的。此外，PIF6-APB的C末端通过形成一个α螺旋结构（PIF6-APB-α）同时与两个phyB-Pfr的N末端结构域产生广泛互作（图4C），印证了PIF6-100促进的phyB-908-Pfr的二聚化（图3C）。作者进一步通过系列生化、光谱实验表征、结合转基因植物的表型明确了NTE结构域以及N末端结构域介导的phyB-Pfr二聚化对于phyB-PIF互作的重要性。

 

图4. phyB-Pfr的N末端结构域对PIF-APB的特异性识别（A）以及NTE结构域特异性识别PIF-APB的N末端β发夹结构（B），phyB-Pfr二聚体特异性识别PIF-APB的C末端α螺旋结构（C）

 

两个phyB-Pfr的结构比对表明phyB-PIF6复合物结构中的phyB-Pfr形成了不对称的二聚体（图5A），这些不对称性导致phyB-Pfr二聚体的另一侧界面没有足够空间与PIF6-APB-β以及PIF6-APB-α形成合适的互作（图5B）。作者进一步通过pull-down以及Co-IP assay评估了溶液状态下phyB和PIF-APB以及PIF-FL的互作模式，生化数据表明PIF3和PIF6的APB motif以及PIF1和PIF3的全长蛋白均可以和phyB-Pfr二聚体形成摩尔比为1:2（2:4）的复合物。

 

图5. 不对称的phyB-Pfr二聚体只能结合一个PIF6-APB单体

 

总的来说，这项研究揭示了“头对头”激活态phyB二聚体识别结合PIF6-APB的复合物结构，解决了光敏色素研究中光如何诱导phyB变构激活并转导PIF信号的关键问题（图6），为作物感光性状的改造以及phyB相关光控基因表达的“光遗传学”工具开发提供了分子水平的精细图纸。

 

图6. 红光激活phyB并转导PIF信号的结构机制模型

 

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。北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生王征东和宋艳萍、北京大学现代农业研究院科研助理王文凤和赵迪迪、以及北京大学现代农业研究院林晓莉博士为论文共同第一作者。北京大学现代农业研究院赵珺博士、迟程博士和高级工程师徐斌、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士研究生沈萌对本研究也做出了重要贡献。冷冻样品制备、样品筛选和数据收集在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、国家重点研发项目、山东省重点研发项目、山东省科技创新基金、中科协青年人才托举工程、山东省泰山青年学者项目、北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室、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。

 

生物微观结构研究平台介绍

生物微观结构研究平台是北京大学现代农业研究院重点打造的七个公共平台之一，平台自2021年11月开始进行冷冻电镜及相关设备安装，2022年3月进行调试，2022年9月完成验收并正式运行。平台运行两年以来支撑院内外科研工作者在Nature（5篇）、Cell（2篇）等杂志上已发表多篇高水平工作，可以满足包括单颗粒蛋白质三维结构解析、冷冻断层重构在内的多种分子及细胞生物学电镜数据收集和制样工作。本篇论文（第二篇Cell）是首个以研究院为第一完成单位的CNS正刊工作，这项成果的大部分工作都在研究院完成，感谢山东省各级政府和省实验室/研究院对平台的重点支持。目前平台面向省内及省外高水平用户开放预约，利用电子显微学技术助力生命科学领域前沿研究。

 

原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01023-7