（2020.11.18 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)）

2020年11月17日，Nature Plants在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院蛋白質(zhì)科學(xué)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(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，在植物整個生長周期中都起到關(guān)鍵作用。隱花色素Cryptochromes（CRYs）是一類廣泛存在于動植物中的藍光受體。在植物中，CRYs主要參與調(diào)控光形態(tài)建成、開花時間、生物節(jié)律性等重要生長發(fā)育過程。CRYs在植物中還發(fā)揮其他的功能，包括植物晝夜節(jié)律、氣孔開放、根系生長、滲透脅迫反應(yīng)、避蔭、葉片衰老等的調(diào)節(jié)。CRYs有兩個結(jié)構(gòu)域，N端的PHR結(jié)構(gòu)域及C端的CCE結(jié)構(gòu)域。CRYs的PHR結(jié)構(gòu)域非共價結(jié)合一分子黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。CRYs被藍光激活后會產(chǎn)生多種響應(yīng)，包括FAD的光還原、寡聚化等等。藍光激活的CRYs發(fā)生寡聚化是一種在進化上極為保守的現(xiàn)象，與生物體內(nèi)CRYs的光反應(yīng)特性高度相關(guān)。寡聚的CRYs蛋白可以與下游的轉(zhuǎn)錄因子（CIBs、PIFs、IAAs等）或生長調(diào)控因子（COP1/SPA1等）互作，從而調(diào)控植物的生長發(fā)育。得益于這種光調(diào)控的聚合性質(zhì)，CRYs也被廣泛應(yīng)用于光遺傳學(xué)中。但藍光如何誘導(dǎo)CRYs發(fā)生寡聚化至今并不清楚。

在該研究中，研究者開發(fā)了一套方法，在制備冷凍電鏡樣品前用藍光處理CRY2蛋白，在光照后極短的時間（<7s）內(nèi)迅速將蛋白冷凍停留在寡聚激活狀態(tài)。通過這種方法，成功解析了藍光激活的CRY2四聚體狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為3.1??。通過與此前實驗室報道的黑暗狀態(tài)下單體CRY2的晶體結(jié)構(gòu)比對以及化學(xué)計算，研究者發(fā)現(xiàn)藍光激活CRY2的FAD結(jié)合口袋的體積變大。通過一系列生化分析驗證，研究者發(fā)現(xiàn)FAD結(jié)合口袋的松弛會導(dǎo)致CRY2蛋白的寡聚化。該研究闡明了CRY2光誘導(dǎo)寡聚化的分子機制，也闡明了FAD光還原如何導(dǎo)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(guān)于藍光受體CRY2的激活和抑制研究將會促進深入理解植物光信號傳導(dǎo)調(diào)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全提供有用信息，也為CRYs在光遺傳學(xué)操作中調(diào)控蛋白的開發(fā)提供了新的思路。

生命科學(xué)技術(shù)學(xué)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(xué)龔欣教授為論文共同通訊作者，校級蛋白質(zhì)平臺為該研究的開展提供了強有力的支持。前期冷凍樣品制備和樣品篩選主要在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)電鏡平臺完成，冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集在南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心完成。馬羚博士受生科院博士后百川計劃支持，該研究受到了科技部基金、國家自然科學(xué)基金、校自主創(chuàng)新基金的資助。