植物遠(yuǎn)紅光受體
——光敏色素A的研究進(jìn)展

周楊楊，李繼剛

中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物學(xué)院 植物生理學(xué)與生物化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193

對植物來說，光是一種尤其重要的非生物環(huán)境因子，既作為植物光合作用的能量來源，也作為一個重要的環(huán)境信號，調(diào)控植物的生長和發(fā)育[1]。植物利用不同家族的光受體感受光照的波長、方向和強(qiáng)度，比如，隱花色素感受藍(lán)光，而光敏色素主要感受紅光和遠(yuǎn)紅光[2]。

擬南芥中有5個光敏色素蛋白ü 光敏色素A～E (phytochrome A～E，phyA～phyE)，其中phyA與phyB可以感受并響應(yīng)絕大部分紅光和遠(yuǎn)紅光信號。phyB主要參與植物紅光下的生長發(fā)育調(diào)控，如幼苗紅光下的去黃化、成苗的避蔭反應(yīng)和開花調(diào)控等；與phyB不同的是，phyA主要參與富含遠(yuǎn)紅光條件下植物由暗形態(tài)建成轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑螒B(tài)建成的調(diào)控[3]。根據(jù)在光下的穩(wěn)定性，可以將光敏色素蛋白分為兩種類型：一類是phyA，屬于光不穩(wěn)定型，在光下被快速降解；另一類是phyB～phyE，屬于光穩(wěn)定型[2]。

在過去二三十年中，人們對植物遠(yuǎn)紅光受體phyA的功能與分子調(diào)控機(jī)制的研究取得了較大進(jìn)展。本文將對phyA的光化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)域及功能、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制、磷酸化調(diào)控等方面進(jìn)行討論與總結(jié)。

1 phyA感受光信號的光化學(xué)特性

phyA與其他光敏色素相同，是一類能夠形成同源二聚體的可溶性蛋白，其單體分子量約為125 kDa[2]。光敏色素蛋白在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)以脫輔基的形式合成。脫輔基的光敏色素蛋白不能夠接收光子，通過自催化共價結(jié)合線性的四吡咯環(huán)色素小分子(phytochromobillin，PΦB) (圖1)，能夠組裝成具有完整功能的光敏色素全蛋白。PΦB在質(zhì)體內(nèi)合成，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，與光敏色素脫輔基蛋白保守結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸殘基形成硫醚鍵，構(gòu)成具有生物功能的光敏色素全蛋白[4-5]。

光敏色素全蛋白依賴PΦB接收紅光和遠(yuǎn)紅光光子。PΦB在植物中存在兩種不同的構(gòu)象，接收光子后兩種構(gòu)象之間可以相互轉(zhuǎn)換；與之一致的是，與PΦB共價結(jié)合的光敏色素蛋白也存在兩種構(gòu)象，且兩種構(gòu)象之間也可以相互轉(zhuǎn)換。在暗處生長的黃化植物幼苗中，光敏色素以非活性的Pr形式合成。接收紅光后，Pr形式的光敏色素轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr形式ü 通常認(rèn)為Pfr形式是有生物學(xué)活性的形式[6](圖1)；而Pfr形式的光敏色素吸收了遠(yuǎn)紅光后，又可以轉(zhuǎn)回Pr形式。將在光下生長的植物幼苗轉(zhuǎn)移至暗處培養(yǎng)，其中Pfr形式的光敏色素會以比較慢的速度逐漸轉(zhuǎn)換為Pr形式，這個過程稱為暗逆轉(zhuǎn)(dark reversion)[7]。另外，伴隨著光敏色素在Pr和Pfr形式之間轉(zhuǎn)換，其蛋白質(zhì)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生重排[8-9](圖1)。

圖1 擬南芥phyA保守結(jié)構(gòu)域示意圖及工作模型。PΦB共價結(jié)合在GAF結(jié)構(gòu)域第323位的半胱氨酸殘基上。Hinge region: 鉸鏈區(qū)；NTE：N端延伸區(qū)(N-terminal extension)； PAS：Per-Arnt-Sim，Per (period circadian protein，晝夜節(jié)律蛋白)，Arnt (Ah receptor nuclear translocator protein，芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白)，Sim (single-minded protein，Sim蛋白)；GAF結(jié)構(gòu)域：cGMP 激活的磷酸二酯酶(cGMP-stimulated phosphodiesterase)，魚腥藻腺苷酸環(huán)化酶(Anabaena adenylate cyclases)，大腸桿菌Fh1A(Escherichia coli FhlA)；PHY：光敏色素(phytochrome)；PRD ：PAS相關(guān)結(jié)構(gòu)域(PAS-related domain)；HKRD：組氨酸激酶相關(guān)結(jié)構(gòu)域(histidine kinase–related domain)

2 phyA蛋白氨基酸序列保守結(jié)構(gòu)域及功能

植物光敏色素蛋白的氨基酸序列具有較高保守性，由大約70 kDa的氨基端與大約50 kDa的羧基端兩大部分組成，中間由靈活的鉸鏈區(qū)相連接 (圖1)。氨基端由4個比較保守的結(jié)構(gòu)域組成，分別為N端延伸區(qū)(NTE)、Per-Arnt-Sim(PAS)、GAF和PHY；而羧基端由含有兩個PAS的PAS-相關(guān)結(jié)構(gòu)域 (PRD)以及組氨酸激酶相關(guān)結(jié)構(gòu)域(HKRD) 結(jié)構(gòu)域組成[2-3](圖1)。

NTE和PRD是植物光敏色素特有的兩個結(jié)構(gòu)域，而其他結(jié)構(gòu)域在不同物種的光敏色素之間相對保守[3,5,10]。GAF結(jié)構(gòu)域主要負(fù)責(zé)光信號的接受，四吡咯環(huán)色素小分子與此結(jié)構(gòu)域中保守的半胱氨酸殘基共價結(jié)合(圖1)。GAF與PAS結(jié)構(gòu)域充當(dāng)連接酶的角色，負(fù)責(zé)催化色素小分子與半胱氨酸殘基共價結(jié)合[3]。PAS結(jié)構(gòu)域也參與蛋白-蛋白的相互作用，或作為光照、氧含量和氧化還原電位變化的響應(yīng)模塊，或作為接受并傳遞信號的橋梁[8,11]。雖然HKRD是組氨酸激酶相關(guān)結(jié)構(gòu)域，但是其氨基酸序列中缺失保守的組氨酸殘基，可能是進(jìn)化不徹底殘留的片段[12]。光敏色素的羧基端結(jié)構(gòu)域也是二聚化結(jié)構(gòu)域，而且這個較大的結(jié)構(gòu)域約占整個蛋白質(zhì)分子的一半[8](圖1)。在光敏色素氨基端與羧基端兩大結(jié)構(gòu)域之間，有一段靈活的氨基酸序列被稱作鉸鏈區(qū)。鉸鏈區(qū)可能在光敏色素Pr與Pfr形式相互轉(zhuǎn)換的過程中具有關(guān)鍵調(diào)控作用。

對光敏色素羧基端結(jié)構(gòu)域的點(diǎn)突變體研究發(fā)現(xiàn)，無論是phyA還是phyB，羧基端結(jié)構(gòu)域的點(diǎn)突變均不影響光信號的感受和紅光/遠(yuǎn)紅光的可逆轉(zhuǎn)換，但是突變后其作為光受體的生物學(xué)功能受到一定程度的影響[8,13]。因此，目前認(rèn)為光敏色素的氨基端結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)接收光信號，而羧基端結(jié)構(gòu)域主要負(fù)責(zé)信號的傳遞。結(jié)構(gòu)域的互換與缺失實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了這個觀點(diǎn)，即使phyA與phyB的羧基端互換，也不影響光信號的傳遞[14]。對phyA鉸鏈區(qū)的最新研究表明，phyA鉸鏈區(qū)的氨基酸序列并不保守，卻可能包含重要的調(diào)控位點(diǎn)[15]。雖然對光敏色素不同結(jié)構(gòu)域的功能均有所研究，但是植物光敏色素全長蛋白的晶體結(jié)構(gòu)仍未被解析。

3 phyA成為植物中唯一遠(yuǎn)紅光受體的機(jī)制

phyA是植物中唯一的遠(yuǎn)紅光受體。與之相一致的是，phyA具有區(qū)別于其他光敏色素的分子與生化特性。首先，在暗下生長的黃化幼苗中，phyA僅定位于細(xì)胞質(zhì)中，而有少量的phyB定位于細(xì)胞核中。遠(yuǎn)紅光、紅光與藍(lán)光均能夠有效誘導(dǎo)phyA進(jìn)入細(xì)胞核，而遠(yuǎn)紅光不能誘導(dǎo)phyB進(jìn)入細(xì)胞核；且phyA進(jìn)入細(xì)胞核非常迅速，僅需要幾分鐘，phyB入核則需要數(shù)小時[2,16-17]。其次，phyA在光照后被迅速降解，而phyB～E的蛋白水平在光下則相對比較穩(wěn)定[18]。

雖然phyA在光照條件下能夠在極短的時間內(nèi)進(jìn)入細(xì)胞核，但是在phyA的氨基酸序列中并未發(fā)現(xiàn)典型的核定位信號(nuclear localization signal，NLS)，所以人們猜測phyA進(jìn)入細(xì)胞核需要其他蛋白的輔助。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中確實(shí)有兩個同源蛋白üüFHY1 (FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL1) 和FHL(FHY1-LIKE)輔助phyA入核。早在1993年，人們就通過篩選遠(yuǎn)紅光不敏感突變體，獲得了fhy1、fhy2和fhy3突變體[19]。其中最早被克隆的FHY2被證明是PHYA，而FHY1與FHY3隨后也相繼被克隆[20-21]。通過同源比對的方法，人們發(fā)現(xiàn)擬南芥中還有一個FHY1的同源蛋白FHL[22]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)HY1與FHL是一類保守的植物特有的小蛋白，分別為202和201個氨基酸[23-24]。有意思的是，它們的氨基端結(jié)構(gòu)域中既含有一個核定位信號(NLS)，也含有一個核輸出信號(nuclear export signal，NES)，羧基端則有一個保守的結(jié)構(gòu)域[20,22]。FHY1/FHL不僅可以通過羧基端互作形成同源或異源二聚體[22]，還能夠與phyA的氨基端和羧基端結(jié)構(gòu)域都相互作用[15,25]；而且，F(xiàn)HY1/FHL與phyA的結(jié)合位點(diǎn)相距NLS和NES足有100～150個氨基酸，而這段中間序列在不同物種的FHY1/FHL序列中保守性非常低。有趣的是，如果將這段序列替換成黃色熒光蛋白 (yellow fluorescent protein，YFP)，也不影響FHY1的功能[23]。

FHY1與FHL同時突變以后，突變體對遠(yuǎn)紅光極不敏感[22,25-26]；而且研究表明，它們的細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核定位信號是其行使功能的關(guān)鍵。熒光淬滅恢復(fù) (FRAP) 和熒光淬滅損耗 (FLIP) 實(shí)驗(yàn)顯示：FHY1為穿梭蛋白，印證了其同時含有核定位信號與核輸出信號。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，F(xiàn)HY1與FHL結(jié)合Pfr形式的phyA[1,25,27-28]。因此，在胞質(zhì)中Pfr形式的phyA與FHY1和FHL結(jié)合，依靠后者的核定位信號將phyA轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞核[1,23,25,29]；在細(xì)胞核中，F(xiàn)HY1和FHL與phyA脫離后回到細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)入下一個轉(zhuǎn)運(yùn)phyA進(jìn)入細(xì)胞核的循環(huán)(圖2)。正是因?yàn)镕HY1/FHL轉(zhuǎn)運(yùn)的高效性，phyA在照光后能夠迅速進(jìn)入細(xì)胞核。但是FHY1和FHL只負(fù)責(zé)phyA的轉(zhuǎn)運(yùn)，并不參與phyB的入核[25]。在fhy1fhl雙突變體中，phyA無法進(jìn)入細(xì)胞核，所以無法起始phyA信號響應(yīng)。fhy1 fhl雙突變體的表型與phyA突變體幾乎相同，也反映了phyA主要在細(xì)胞核中誘導(dǎo)光信號反應(yīng)。

既然phyA的入核依賴FHY1/FHL的轉(zhuǎn)運(yùn)，那么能夠調(diào)控FHY1/FHL基因表達(dá)或者蛋白功能的因子，也可能調(diào)控phyA進(jìn)入細(xì)胞核。FHY3與其同源蛋白FAR1 (FAR-RED IMPAIRED RESPONSE1)就是很好的例子。FHY3基因克隆后，發(fā)現(xiàn)其與先前克隆的另一個遠(yuǎn)紅光信號調(diào)控基因FAR1同源[21,30]。2007年，F(xiàn)HY3/FAR1的功能及作用機(jī)制被研究清楚，發(fā)現(xiàn)FHY3與FAR1能夠特異地結(jié)合FHY1和FHL啟動子區(qū)的FBS(FHY3/FAR1 binding site)元件，并激活FHY1和FHL的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控phyA在細(xì)胞核內(nèi)的積累及遠(yuǎn)紅光信號響應(yīng)[31]。FHY3/FAR1的氨基端含有C2H2鋅指DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，羧基端具有轉(zhuǎn)錄激活活性，因此FHY3/FAR1是新發(fā)現(xiàn)的一類轉(zhuǎn)座酶衍生的轉(zhuǎn)錄因子。在fhy3 far1雙突變體中phyA不能定位于細(xì)胞核，證明FHY3/FAR1間接調(diào)控phyA進(jìn)入細(xì)胞核[31]；而組成型定位于細(xì)胞核的phyA能夠回補(bǔ)fhy3突變體遠(yuǎn)紅光不敏感的表型，進(jìn)一步證明FHY3/FAR1確實(shí)參與調(diào)控phyA的入核[23]。

phyA在幼苗照光后被迅速降解，研究表明phyA的降解依賴重要的光信號負(fù)調(diào)控因子組成型光形態(tài)建成1 (CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC1，COP1)。COP1是保守的E3泛素連接酶，能夠與SPA (SUPPRESSOR OF PHYA-105)蛋白形成E3泛素連接酶復(fù)合體，泛素化并降解phyA[32-36]。COP1最早是在模式植物擬南芥中被克隆鑒定，是植物光形態(tài)建成的抑制因子[32,37]。多年的研究表明，COP1不僅參與植物不同發(fā)育階段的調(diào)控，還在哺乳動物中調(diào)控細(xì)胞的生長、代謝及存亡[38]。COP1主要包含三個結(jié)構(gòu)域：氨基端的RING-finger結(jié)構(gòu)域、羧基端的WD40 重復(fù)結(jié)構(gòu)域，以及中間部分的卷曲螺旋(coiled-coil)結(jié)構(gòu)域[37-38]。其中，WD40結(jié)構(gòu)域能夠直接與phyA的PRD結(jié)構(gòu)域相互作用[35]。

SPA1最初也是鑒定為光形態(tài)建成的負(fù)調(diào)控因子[39]，隨后在擬南芥基因組中又發(fā)現(xiàn)了三個同源的蛋白，命名為SPA2、SPA3和SPA4[40-41]。生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，COP1能夠與SPA蛋白直接相互作用[34,42-43]，而且phyA也可以與SPA1相互作用[36,44-45]。有意思的是，SPAs蛋白可以形成同源或者異源二聚體，然后與COP1結(jié)合組成COP1/SPAs復(fù)合體[46]。Co-IP實(shí)驗(yàn)證明，COP1對phyA進(jìn)行的泛素化降解與COP1/SPAs復(fù)合體緊密相關(guān)，而且COP1/SPAs復(fù)合體優(yōu)先結(jié)合磷酸化形式的phyA[15,6,47]。

隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的更新與新實(shí)驗(yàn)方法的引入，人們開始逐漸理解phyA成為植物唯一遠(yuǎn)紅光受體的機(jī)制。人們根據(jù)遺傳與生理、生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了phyA的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明光可逆轉(zhuǎn)換與FHY1/FHL的轉(zhuǎn)運(yùn)決定了phyA能夠成為遠(yuǎn)紅光受體[1]。盡管phyA與phyB對光譜的吸收非常相似，但是二者還是有許多不同的特性，比如進(jìn)入細(xì)胞核的方式以及光穩(wěn)定性有明顯差異，這些可能是導(dǎo)致phyA活性峰值向遠(yuǎn)紅光偏移的原因[17,27]。擬南芥phyA第242位酪氨酸突變?yōu)榻M氨酸(phyAY242H)會導(dǎo)致phyA組成型鎖定在有活性的Pfr形式，能與FHY/FHL組成型互作[1,48]；但是令人意外的是，phyAY242H在細(xì)胞核中的積累反而顯著降低。原因可能是組成型Pfr形式的phyA將FHY1/FHL困在了細(xì)胞核內(nèi)，使FHY1/FHL無法高效地轉(zhuǎn)運(yùn)phyAY242H進(jìn)入細(xì)胞核[1,23,48]。同時，在細(xì)胞核內(nèi)phyA由Pfr形式向Pr形式轉(zhuǎn)換后，才能發(fā)生phyAFHY1/FHL復(fù)合體的分離以及分離后FHY/FHL循環(huán)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的過程，而這些過程被phyAY242HFHY/FHL的組成型結(jié)合所阻礙[1]。phyA的數(shù)學(xué)模型還預(yù)測，除了FHY1/FHL依賴的phyA轉(zhuǎn)運(yùn)入核機(jī)制以外，還存在其他平行的調(diào)控機(jī)制才能完全符合植物中觀察到的phyA活性最高的有效波長，但是目前還不清楚這些可能的機(jī)制[1,49-51]。

4 phyA的下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及負(fù)反饋機(jī)制

phyA進(jìn)入細(xì)胞核以后，如何向下游傳遞遠(yuǎn)紅光信號？遠(yuǎn)紅光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，還有哪些重要的組分？其功能和作用機(jī)制又是怎樣的呢？對于這些問題，下面將作簡要介紹。

在光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，轉(zhuǎn)錄因子HY5發(fā)揮著核心的調(diào)控功能(圖2)。HY5在較廣的波長范圍內(nèi)均能夠促進(jìn)光形態(tài)建成，如遠(yuǎn)紅光、紅光、藍(lán)光和紫外光[53-55]。研究結(jié)果顯示，HY5蛋白的水平與擬南芥幼苗光形態(tài)建成的程度呈正相關(guān)[54]。全基因組的染色質(zhì)免疫共沉淀-芯片(ChIP-chip)分析表明：HY5在擬南芥全基因組上有數(shù)量眾多的結(jié)合位點(diǎn)，這些結(jié)合位點(diǎn)主要位于已注釋基因的啟動子區(qū)域[56-57]。HY5調(diào)控的光應(yīng)答基因，約占全部光應(yīng)答基因的20 %[58]；光信號通過HY5的作用，能夠迅速改變光應(yīng)答基因的表達(dá)。因此，在幼苗光形態(tài)建成中，HY5是較上游的轉(zhuǎn)錄級聯(lián)反應(yīng)的調(diào)節(jié)因子[56]。

在細(xì)胞核中，COP1通過其WD40結(jié)構(gòu)域與HY5直接互作并將其泛素化，HY5隨后通過26S蛋白酶體途徑被降解[33,59]。在這個過程中，主要的光受體(比如光敏色素與隱花色素)可以在光下特異的促進(jìn)HY5蛋白的積累，從而促進(jìn)光形態(tài)建成。這里可能有兩個主要的分子機(jī)制：一是光照條件下COP1由細(xì)胞核定位轉(zhuǎn)為細(xì)胞質(zhì)定位[54,60]；二是被光激活的光受體(包括phyA和phyB)可以抑制COP1/SPA形成E3泛素連接酶復(fù)合體，從而促進(jìn)HY5蛋白的積累和光形態(tài)建成[45](圖2)。

除了HY5這類光形態(tài)建成的重要正調(diào)控因子，植物中還存在一類被稱作光敏色素相互作用因子(phytochromeinteracting factors，PIFs)的蛋白，是植物光形態(tài)建成的負(fù)調(diào)控因子。PIFs屬于bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子，主要在暗下積累。phyA可以與PIF1和PIF3直接相互作用，在光下促進(jìn)它們的磷酸化和泛素化降解，解除其對光形態(tài)建成的抑制作用[61-62]。最近的研究表明，phyA可能是PIFs的激酶，能夠在體外磷酸化PIFs蛋白[63]。

在遠(yuǎn)紅光下，伴隨著phyA在細(xì)胞核中不斷積累，遠(yuǎn)紅光信號逐漸增強(qiáng)；先前的研究表明，存在phyA信號的負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制，在phyA信號起始后能夠抑制FHY1/FHL的轉(zhuǎn)錄[20,31]，從而避免phyA信號過度響應(yīng) (圖2)。研究表明：轉(zhuǎn)錄因子HY5在細(xì)胞核中積累后，一方面可以與FHY3/FAR1相互作用，阻止FHY3/FAR1結(jié)合FHY1/FHL的啟動子；另一方面可以直接結(jié)合FHY1/FHL啟動子區(qū)的ACEs元件(ACGT-containing elements)，且ACEs距離FHY3/FAR1的結(jié)合位點(diǎn)很近(<10 bp)。因此，HY5的結(jié)合能夠阻礙FHY3/FAR1對FHY1/FHL的轉(zhuǎn)錄激活作用[24](圖2)。通過這兩種作用機(jī)制，HY5在遠(yuǎn)紅光下負(fù)反饋調(diào)控FHY1/FHL的表達(dá)。

圖2 擬南芥遠(yuǎn)紅光受體phyA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖。FHY1/FHL轉(zhuǎn)運(yùn)Pfr-phyA進(jìn)入細(xì)胞核。 FHY3/FAR1激活FHY1/FHL的轉(zhuǎn)錄。phyA抑制COP1/SPA1復(fù)合體功能從而促進(jìn)HY5的積累；HY5抑制FHY3/FAR1對FHY1/FHL的轉(zhuǎn)錄激活，負(fù)反饋抑制phyA進(jìn)入細(xì)胞核；同時phyA也可以通過抑制FHY3/FAR1的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行負(fù)反饋。Pr:phyA的紅光吸收形式(R-absorbing form of phyA，無活性)；Pfr: phyA的遠(yuǎn)紅光吸收形式(FR-absorbing form of phyA，有活性)

此外，被光激活的phyA也調(diào)控FHY1的蛋白磷酸化和降解。FHY1在黃化的幼苗中積累，幼苗照紅光以后FHY1被快速降解，該過程由phyA介導(dǎo)[64-65]；而磷酸化形式的FHY1生物活性降低，原因可能是FHY1的磷酸化抑制其將phyA運(yùn)載進(jìn)入細(xì)胞核的能力[66]。除了上述負(fù)反饋機(jī)制外，遠(yuǎn)紅光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中是否還有其他的負(fù)反饋機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。

5 phyA的磷酸化調(diào)控

在30多年前，人們就發(fā)現(xiàn)光敏色素是能夠被磷酸化的蛋白[67-68]，而且發(fā)現(xiàn)光敏色素可以自磷酸化[69-70]。進(jìn)一步的研究表明，光敏色素可能是與組氨酸激酶同源的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[71]。經(jīng)過多年的研究，人們發(fā)現(xiàn)了光敏色素能夠在體外磷酸化的底物，包括組蛋白H1[67,70]、PKS1 (phytochrome kinase substrate1)[72]、藍(lán)光受體cry1與cry2[73]、Aux/IAA (Auxin/indole-3-acetic acid)蛋白[74]、穿梭蛋白FHY1/FHL[26]、PIFs蛋白[63]以及光敏色素自身。人們很早就發(fā)現(xiàn)幼苗照光后，PIFs蛋白在植物體內(nèi)被迅速磷酸化和降解，而該調(diào)控過程依賴光敏色素[61-62,75]。最近的研究結(jié)果顯示，phyA可以在體外直接磷酸化PIFs，而且激酶活性區(qū)域可能位于phyA的PASGAF-PHY結(jié)構(gòu)域[63]。但是，光敏色素究竟是不是植物體內(nèi)磷酸化PIFs蛋白的激酶，目前還有爭論[76] 。

在多年前，人們以燕麥phyA為對象進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)燕麥phyA蛋白上有三個磷酸化位點(diǎn)，分別是NTE結(jié)構(gòu)域的第8和18位的絲氨酸，以及鉸鏈區(qū)的第599位絲氨酸[2]。第8位的絲氨酸在燕麥phyA處于Pr與Pfr兩種形式均能被磷酸化，而第599位的絲氨酸只有燕麥phyA處于Pfr形式才能夠被磷酸化[77-78]。體外磷酸化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第8和18位的絲氨酸為燕麥phyA的自磷酸化位點(diǎn)，這兩個位點(diǎn)突變?yōu)楸彼岷螅帑減hyA的自磷酸化嚴(yán)重缺失[79]；但是第599位絲氨酸不是自磷酸位點(diǎn)[79-80]，說明這個位點(diǎn)可能由其他激酶磷酸化。盡管人們對光敏色素的互作蛋白進(jìn)行過飽和篩選，但是到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)能夠特異磷酸化光敏色素的蛋白激酶[2]。

然而，人們迄今為止發(fā)現(xiàn)了多個蛋白磷酸酶，能夠催化光敏色素的去磷酸化。比如，蛋白磷酸酶FyPP(flower specific, phytochromeassociated protein phosphatase)可以與光敏色素互作并將其去磷酸化[81]。在擬南芥中過表達(dá)FyPP延遲開花，降低FyPP的表達(dá)則促進(jìn)開花，表明在擬南芥中FyPP參與光敏色素介導(dǎo)的開花調(diào)控[81]。利用全長擬南芥phyA進(jìn)行酵母雙雜交篩選，獲得一個蛋白磷酸酶PAPP5(phytochrome-associated protein phosphatase 5)，它與phyA和phyB均互作，可以催化燕麥phyA三個磷酸化位點(diǎn)的去磷酸化[82]。另一個磷酸酶PAPP2C(phytochrome-associated protein phosphatase 2C)也能夠與phyA和phyB相互作用，并且可以在體外催化光敏色素的去磷酸化[83]。

光敏色素的磷酸化與去磷酸如何調(diào)控其功能呢？研究表明，phyA的前20個氨基酸中富含絲氨酸殘基，如果將這些絲氨酸替換為丙氨酸，或者缺失這20個氨基酸，均增強(qiáng)phyA的活性，表明這些絲氨酸能夠抑制phyA的功能[79,84-87]。進(jìn)一步的研究表明，突變形式的phyA活性增強(qiáng)，是由于phyA的蛋白穩(wěn)定性增強(qiáng)[79]。因此，phyA的NTE序列中絲氨酸的磷酸化，能夠調(diào)控phyA的蛋白穩(wěn)定性。然而，燕麥phyA鉸鏈區(qū)第599位絲氨酸的磷酸化并不影響其蛋白穩(wěn)定性[80]，卻阻礙phyA突變體與信號傳遞因子(比如NDPK2與PIF3)的相互作用，表明燕麥phyA第599位絲氨酸的磷酸化可能作為信號開關(guān)，調(diào)控光敏色素與下游信號傳遞因子之間的相互作用[80]。此外，如果將phyA的第599位絲氨酸殘基突變?yōu)橘嚢彼?，phyA的自磷酸化以及對PKS1的磷酸化不再受光調(diào)控[72]。這些結(jié)果表明，第599位絲氨酸的磷酸化可能也參與調(diào)控光敏色素的激酶活性。

盡管人們先前對燕麥phyA的磷酸化進(jìn)行了深入的研究，但是直到2008年，才首次報(bào)道了擬南芥phyA在遠(yuǎn)紅光下可以在體內(nèi)被磷酸化。進(jìn)一步的研究表明，磷酸化形式的phyA可能是COP1/SPAE3泛素連接酶復(fù)合體優(yōu)先結(jié)合并降解的底物[36]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，一個遠(yuǎn)紅光信號傳遞的新組分TZP (TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3)能夠在遠(yuǎn)紅光下調(diào)控phyA在體內(nèi)的磷酸化，而且磷酸化形式的phyA在遠(yuǎn)紅光信號傳遞中可能扮演重要的角色[47]。此外，還有研究報(bào)道了擬南芥phyA鉸鏈區(qū)的第590位絲氨酸、第593位蘇氨酸和第602位絲氨酸調(diào)控phyA的蛋白磷酸化和功能，如果將3個位點(diǎn)同時突變?yōu)楸彼峄蛘咛於彼幔@著削弱phyA的功能以及phyA在遠(yuǎn)紅光下的磷酸化水平[15]。研究結(jié)果還顯示，Pfr形式的phyA在細(xì)胞核中被磷酸化，而且磷酸化phyA的水平與phyA的活性程度呈正相關(guān)，表明磷酸化形式的phyA可能是活性更強(qiáng)的形式[15]。

6 總結(jié)與展望

隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法的發(fā)展與更新，植物遠(yuǎn)紅光受體phyA的功能及其信號傳遞機(jī)制正在不斷被揭示，但是，仍有許多重要的問題急需解決。比如，植物體內(nèi)有哪些激酶可以磷酸化phyA？擬南芥phyA在體內(nèi)的磷酸化位點(diǎn)有哪些？phyA蛋白是否還有其他的修飾？生物學(xué)功能是什么？此外，植物phyA全長蛋白的結(jié)構(gòu)，包括Pr和Pfr構(gòu)象轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，目前仍不清楚。隨著研究的不斷深入，人們將會進(jìn)一步理解phyA如何成為植物中唯一的遠(yuǎn)紅光受體，這將為提高作物的光能利用率以及耐蔭、耐密植作物新品種的培育奠定重要的理論基礎(chǔ)。