文档介绍：光敏色素的结构及其信号调控机制
摘要:光信号参与并调节植物生命周期中的许多生理过程,而植物可通过自身的光感受器来感知多样的光照信息。光敏色素(Phytochromes,phy)作为一种感知红光/远红光的植物色素蛋白,在植物种子),Pfr吸收FRL(λmax=730 nm)。在黑暗中生长的幼苗会合成Pr的形式,吸收RL后转化为具有生物活性的Pfr形式;而Pfr形式又会吸收FRL快速逆转到Pr形式,该逆转过程也可发生在无光条件下,称为暗逆转或热弛豫[5]。这一转化机制使光敏色素具有RL/FRL依赖性的分子开关,进而表现出可控的生物活性。Pr到Pfr的转化会触发Pfr由细胞质向细胞核移动,从而促进光敏色素与核内转录因子的相互作用[6]。但不是所有的光敏色素都会在光信号下发挥作用,phyA主要存在于暗生长的黄化幼苗中,当遇到光照时,其表达量会迅速下降。Ⅱ型光敏色素普遍存在于大多数植物中,其中phyB在绿色组织中的表达最为丰富[7]。
2 光敏色素的结构
光敏色素是一种含有bilin(或称为开四吡咯)发色团的光感受器,可以感知光的信息及变化[8]。光敏色素通常以同源二聚体的形式存在(分子质量约为250 kDa),每个单体由N端的光敏模块(Photosensory Module,PSM)和C端的输出模块(Output Module,OPM)组成,其中PSM可吸收光;OPM可促进二聚化并传递光信号[9]。PSM依次包括N端的延伸区(N-Terminal Extension,NTE)、Per/Arnt/Sim(PAS)结构域、连接bilin的cGMP磷酸二酯酶/腺苷酸环化酶/FhlA(cGMP Phosphodiesterase/Adenylyl cyclase/FhlA,GAF)结构域及可以稳定活化形式的phy特异性(Phy-Specific,PHY)结构域;OPM包含2个连续的PAS结构域和1个组氨酸激酶相关结构域(Histidine Kinase-Related Domains,HKRD),HKRD可能通过与下游效应因子相互作用或自身的激酶活性来参与信号传导(图1)[10]。 GAF及发色团结构域
植物中的光敏色素以植物色素(Phytochromobilin,PCB)作为发色团,PCB通过硫醚键与GAF上保守的半胱氨酸结合[11]。PCB最初是在无活性的Pr形式下合成,表现为封闭的四吡咯环,吸收RL后转化为具有生物活性的Pfr形式,封闭的四吡咯环打开并与GAF结合。转化完成后的PCB构象发生了明显变化,四吡咯中的环A、B、C是固定的,而环D在吸收RL后会发生旋转(约60°),导致Z到E的异构转换发生[12]。发生异构时,Pr首先经历Lumi-R形式,随后热弛豫到Meta-R形式,最后到达Pfr形式;反之,Pfr吸收FRL后也会先形成Lumi-F和Meta-F的中间体,最后转化为Pr形式(图2)。有学者将bilin与GAF结合域的关键氨基酸突变,发现Pr到Pfr的转化过程几乎未受到影响,但Pfr到Pr的转化却受到了严重影响。如D307A的突变阻断了Pfr的光转化,使其出现脱色现象;H358A的突变中仅存在部分的bilin蛋白仍保留感光的能力,而大多数无法正确折叠[10]。这些研究结果表明,PCB发色团与GAF的结合口袋会影响光敏色素生物学功能的正常发挥。
PHY结构域
PHY结构域对于光敏色素的光化学反应也至关重要。缺失PHY序列的片段(PCB仍结合在PSM上)可以产生Pr,但不能实现光转化。观察Pr和Pfr的结构,可以发现PHY结构域中发夹结构的构象发生了明显改变,由Pr中反向平行的β-折叠重新排列为Pfr中的α-螺旋,进而使发夹结构与GAF的接触也发生改变(图1B)[12]。发夹结构与GAF的接触对于Pr形式的形成不是必要的,但对于Pr/Pfr互换及Pfr的热稳定性是非常关键的。如R582A的突变会使其热转变减慢25倍;S584A和S584E的突变会使其热转变加快750倍[10]。同时,发夹结构的变化信息可能会传输到OPM区域,导致姐妹单体的位置发生变化而触发下游信号。
此外,富含甘氨酸/丝氨酸的NTE结构域对于光的吸收及Pfr的稳定性和生物活性至关重要。缺失NTE序列的突变体最大光吸收值向短波段移动,热转化的速率也明显加快。
3 光敏色素的信号调控机制
在光照条件下,phyA和phyB的表达被显著抑制,由黑暗至RL的转化期间,phyA的表达水平会迅速降低50到100倍,phyB的表达水平会逐渐降低4到5倍[13]。
phyA的表达受到转录及翻译后水平上多种因子的负调控,且RL/FRL也会强烈降低phyA基因的转录,这