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我校揭示藍光受體CRY2激活的分子機制

核心提示: 11月17日,Nature Plants在線發表了我校作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學技術學院蛋白質科學研究團隊揭示植物藍光受體隱花色素CRY2光激活分子機制的最新研究成果。成果論文以“Structural insights into the photoactivation of Arabidopsis cryptochrome 2”為題發表。

光激活的CRY2四聚體結構

光激活的CRY2四聚體結構

南湖新聞網訊(通訊員 馬羚)2020年11月17日,Nature Plants在線發表了我校作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學技術學院蛋白質科學研究團隊揭示植物藍光受體隱花色素CRY2光激活分子機制的最新研究成果。成果論文以“Structural insights into the photoactivation of Arabidopsis cryptochrome 2”為題發表。

光受體是光調控植物生長髮育過程中的重要媒介,在植物整個生長週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髮育過程。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蛋白可以與下游的轉錄因子(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髮育。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。

在該研究中,研究者開發了一套方法,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,分辨率為3.1 Å。通過與此前實驗室報道的黑暗狀態下單體CRY2的晶體結構比對以及化學計算,研究者發現藍光激活CRY2的FAD結合口袋的體積變大。通過一系列生化分析驗證,研究者發現FAD結合口袋的鬆弛會導致CRY2蛋白的寡聚化。該研究闡明瞭CRY2光誘導寡聚化的分子機制,也闡明瞭FAD光還原如何導致其寡聚化的分子機理。今年5月12日,課題組在Nature Structural & Molecular Biology上在線報道了BIC2蛋白抑制CRY2激活的分子機制。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。

生命科學技術學院博士研究生馬羚為論文第一作者,殷平教授和南方科技大學龔欣教授為論文共同通訊作者,校級蛋白質平台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台完成,冷凍電鏡數據收集在南方科技大學冷凍電鏡中心完成。馬羚博士受生科院博士後百川計劃支持,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。

審核人:殷平

文章鏈接://www.nature.com/articles/s41477-020-00800-1

責任編輯:徐行 張鈺