結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究團隊揭示BIC蛋白抑制植物藍光受體CRY2激活的分子機制
2020年5月12日，Nature Structural & Molecular Biology在線發(fā)表了我校作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究團隊揭示BIC蛋白抑制藍光受體隱花色素CRY2激活分子機制的最新研究成果。成果論文以“Structural insights into BIC-mediated inactivation of Arabidopsis cryptochrome 2”為題發(fā)表。
光受體是光調(diào)控植物生長發(fā)育過程中的重要媒介，在整個生長周期中均起到關(guān)鍵作用。隱花色素(Cryptochromes，CRYs)作為藍光受體參與調(diào)控光形態(tài)建成如下胚軸伸長的抑制、開花起始、生物節(jié)律等重要發(fā)育過程。CRYs有兩個結(jié)構(gòu)域，包括N端的PHR結(jié)構(gòu)域和C端的CCE結(jié)構(gòu)域。其中PHR結(jié)構(gòu)域非共價結(jié)合生色基團黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，對于藍光的感知至關(guān)重要。藍光激活的CRYs蛋白會產(chǎn)生多種生理生化響應(yīng)，如FAD光還原、蛋白寡聚和磷酸化等。這些變化有利于CRYs與下游信號因子（轉(zhuǎn)錄因子CIBs、 PIFs、BES1等，生長調(diào)節(jié)因子COP1/SPA復(fù)合物等）結(jié)合，調(diào)控植物生長發(fā)育。2016年，加州大學(xué)林辰濤教授和福建農(nóng)林大學(xué)王琴教授在擬南芥中鑒定出Blue-light inhibitor of cryptochromes （BICs）蛋白能夠負調(diào)控CRYs的活性。
在本研究中，作者解析了擬南芥中CRY2蛋白 PHR結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)以及BIC2-CRY2復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)比對、分子模擬以及生化實驗分析，揭示了BIC2抑制CRY2激活的分子機理。首先，BIC2呈現(xiàn)為極其擴展的結(jié)構(gòu)，蜿蜒曲折的繞著CRY2 a/b以及a結(jié)構(gòu)域之間的溝槽，與CRY2形成廣泛的氫鍵和疏水相互作用。這種廣泛的互作可能占據(jù)了CRY2的寡聚位點從而抑制了CRY2藍光介導(dǎo)的寡聚化，也能夠促進CRY2寡聚體的解聚，使其保持在單體的狀態(tài)；并且，BIC2可以阻斷CRY2寡聚體與下游轉(zhuǎn)錄因子CIB1的相互作用從而阻斷藍光信號的傳遞。其次，BIC2抑制了CRYs蛋白中生色分子FAD的光還原。在光還原過程中，FAD接受外界電子變?yōu)?/span>FAD?-，CRY2的D393提供一個質(zhì)子使FAD?-變?yōu)?/span>FADH?。通過分子模擬發(fā)現(xiàn)，BIC2的結(jié)合使電子及質(zhì)子傳遞的路徑變長，從而阻礙電子及質(zhì)子傳遞，抑制FAD的光還原。此外，通過序列比對也發(fā)現(xiàn)不同植物物種中的BICs與CRYs蛋白互作的區(qū)域非常保守，預(yù)示這種抑制機制在植物中普遍適用。本研究工作首次解析了植物藍光受體CRYs與互作蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，為研究植物藍光信號接收傳遞及調(diào)控的分子機制提供了一定工作基礎(chǔ)，也為CRYs的光遺傳學(xué)操作應(yīng)用提供了一些新思路。
馬羚博士、王祥博士和研究生官澤源為本論文共同第一作者，殷平教授為論文通訊作者。校級蛋白質(zhì)平臺為該研究的開展提供了強有力的支持。上海同步輻射光源（SSRF）為數(shù)據(jù)收集提供了幫助。該研究受到了科技部基金、國家自然科學(xué)基金和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技自主創(chuàng)新基金的資助。
文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41594-020-0410-z
圖1 BIC2-CRY2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)及BICs抑制CRY2的分子機理。
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