王继纵/邓兴旺课题组合作解析植物光敏色素phyB光信号转导的机制

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。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24日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室/北京大学现代农学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。

图1. phyB-Pfr-PIF6（B）和phyBY276H-PIF6（C）均为不对称三聚体，且均与文献报道的phyB-Pr（A）二聚化方式存在明显差异

这项研究首次报道了光激活态光敏色素phyB-Pfr以及不依赖于光的组成型激活突变体phyBY276H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。首次发现光激活导致phyB-Pr发生大规模结构重排，即phyB感光模块(photosensory module, PSM)从Pr状态下“头对尾”二聚体转变为Pfr状态下“头对头”二聚体，且只能结合一个PIF6-APB单体，最终形成phyB-PIF6不对称三聚体。基于结构发现和实验表征，作者揭示了phyB光激活变构的详细分子机制。红光照射导致发色团小分子PΦB构象变化，进一步引起PHY结构域舌状突出结构由β片层向α螺旋的构象转变，新形成的α螺旋破坏了phyB-Pr“头对尾”二聚体的稳定性，导致phyB构象的进一步重塑。最终形成的phyB-Pfr结构提供了结合PIF-APB的可能，随即一分子PIF通过“诱导契合”的方式结合至phyB-NTE，同时进一步维持了phyB-Pfr“头对头”二聚体的稳定，最终形成phyB-PIF信号复合物。

此外，本研究报道的phyBY276H-PIF6复合物结构中，PΦB虽然不具备光激发变构驱动phyB蛋白构象变化的能力，但它对于phyBY276H始终保持Pfr类似构象必不可少。结构比对表明phyBY276H-PIF6复合物结构与phyB-Pfr-PIF6几乎完全一致（图1）。

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2），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2. 红光激活phyB并转导PIF信号的结构机制模型

北京大学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。本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、北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、潍坊现代农业山东省实验室、小麦育种全国重点实验室相关经费的资助。

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