揭示植物蓝光受体CRY2激活的分子机制

（2020.11.18 华中农业大学）

2020年11月17日，Nature Plants在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和生命科学技术学院蛋白质科学研究团队揭示植物蓝光受体隐花色素CRY2光激活分子机制的最新研究成果。成果论文以“Structural insights into the photoactivation of Arabidopsis cryptochrome 2”为题发表。

光受体是光调控植物生长发育过程中的重要媒介，在植物整个生长周期中都起到关键作用。隐花色素Cryptochromes（CRYs）是一类广泛存在于动植物中的蓝光受体。在植物中，CRYs主要参与调控光形态建成、开花时间、生物节律性等重要生长发育过程。CRYs在植物中还发挥其他的功能，包括植物晝夜节律、气孔开放、根系生长、渗透胁迫反应、避荫、叶片衰老等的调节。CRYs有两个结构域，N端的PHR结构域及C端的CCE结构域。CRYs的PHR结构域非共价结合一分子黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。CRYs被蓝光激活后会产生多种响应，包括FAD的光还原、寡聚化等等。蓝光激活的CRYs发生寡聚化是一种在进化上极为保守的现象，与生物体内CRYs的光反应特性高度相关。寡聚的CRYs蛋白可以与下游的转录因子（CIBs、PIFs、IAAs等）或生长调控因子（COP1/SPA1等）互作，从而调控植物的生长发育。得益于这种光调控的聚合性质，CRYs也被广泛应用于光遗传学中。但蓝光如何诱导CRYs发生寡聚化至今并不清楚。

在该研究中，研究者开发了一套方法，在制备冷冻电镜样品前用蓝光处理CRY2蛋白，在光照后极短的时间（<7s）内迅速将蛋白冷冻停留在寡聚激活状态。通过这种方法，成功解析了蓝光激活的CRY2四聚体状态的冷冻电镜结构，分辨率为3.1 ?。通过与此前实验室报道的黑暗状态下单体CRY2的晶体结构比对以及化学计算，研究者发现蓝光激活CRY2的FAD结合口袋的体积变大。通过一系列生化分析验证，研究者发现FAD结合口袋的松弛会导致CRY2蛋白的寡聚化。该研究阐明了CRY2光诱导寡聚化的分子机制，也阐明了FAD光还原如何导致其寡聚化的分子机理。今年5月12日，课题组在Nature Structural & Molecular Biology上在线报道了BIC2蛋白抑制CRY2激活的分子机制。这一系列的关于蓝光受体CRY2的激活和抑制研究将会促进深入理解植物光信号传导调控，为农业生产和粮食安全提供有用信息，也为CRYs在光遗传学操作中调控蛋白的开发提供了新的思路。

生命科学技术学院博士研究生马羚为论文第一作者，殷平教授和南方科技大学龚欣教授为论文共同通讯作者，校级蛋白质平台为该研究的开展提供了强有力的支持。前期冷冻样品制备和样品筛选主要在华中农业大学电镜平台完成，冷冻电镜数据收集在南方科技大学冷冻电镜中心完成。马羚博士受生科院博士后百川计划支持，该研究受到了科技部基金、国家自然科学基金、校自主创新基金的资助。