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Nature plant |华中农大和南方科技大学揭示蓝光受体CRY2激活的分子机制

在植物生命过程中,光受体对于光调节植物生长和发育的至关重要。隐花色素是一种感光器,它在感知蓝光后传递信号。在拟南芥中,CRY1和CRY2,这两种隐花色素分别介导蓝光抑制下胚轴伸长和花分化的光周期控制。CRYs还在植物中发挥广泛的其他功能,包括调节昼夜节律、气孔开度、根系生长、渗透胁迫反应、避光和叶片衰老。

 

CRY包含两个结构域,N末端的PHR结构域和C末端的CCE结构域。PHR结构域可进一步分为α/β和α亚结构域,它们与黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)非共价结合。在蓝光照射下,FAD经历光还原,形成FAD自由基(FADH)。也能发生寡聚化,形成寡聚体,产生的寡聚体对下游转录因子(包括的CIBs、PIF4、 PIF5等)结合亲和力增加,还通过结合调控因子(COP1–SPA)间接调节基因表达。与CRY光激活和信号转导研究的巨大进展相比,CRY失活机制的研究相对滞后,BIC-CRY复合体是如何聚集的,以及BIC抑制CRY的机制还有待探索。

 

2020年11月16日,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殷平教授实验室Nature Plants发表了题为Structural insights into the photoactivation of Arabidopsis CRY2的研究论文,为BiC介导的CRYs失活的分子机制提供了见解,并为CRYs的光遗传学操作提供了新的思路。

文章来源


BICs在CRY2的抑制中起两个作用。一方面,BIC2抑制CRY2的光还原。BIC2的结合不会改变CRY2 PHR或FAD结合的整体结构,但会增加FAD和电子转移途径中残基之间的距离,并将质子供体D393的侧链旋转约52°,产生更长的d(HD393–N5ISO)。鉴于D393在光反应中的重要作用,研究人员认为这种改变可能阻止D393对FAD的质子化,从而干扰CRY2的蓝光依赖性光反应。

 

另一方面,BICs抑制光活化CRY2的寡聚化及其与信号伴侣的相互作用。CRYs的PHR结构域介导寡聚化和与CIBs的相互作用。此外,BICs似乎能阻止CRY PHR结构域依赖蓝光的构象变化。据报道,蓝光会导致衣藻光解酶同源物1 PHR43的α/β亚区的β-折叠明显丢失。在我们的BIC2-CRY2N复合物的结构中,BIC2显示出“U形锁”结构,其中BIC2中的螺旋1和螺旋4主要分别接触PHR的α和α/β子域。这种锁状结构可以紧密稳定CRY2 PHR结构域的构象。

BIC介导的CRY2失活模型

BIC介导的CRY2失活模型


该研究开发了一套方法,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 Å(图1)。通过与此前报道的黑暗状态下单体CRY2的晶体结构比对以及化学计算,该研究发现,蓝光激活CRY2的FAD结合口袋的体积变大。通过生化分析验证发现,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。

光激活的CRY2四聚体结构

光激活的CRY2四聚体结构


马羚博士为本论文第一作者,殷平教授和南方科技大学龚欣教授为共同通讯作者。上海同步辐射中心的BL17U1/BL19U1/BL19U2波束工作人员在数据采集过程中提供帮助,华中农业大学蛋白质研究中心的研究人员提供技术支持。

 

这项工作得到了国家科技部(2018YFA0507700)、国家自然科学基金(31722017、31870753)、霍英东教育基金(151021)和中央高校基础研究基金(2662017PY031)的资助。


阅读原文

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-020-00800-1


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