光敏色素的結(jié)構(gòu)及其信號(hào)調(diào)控機(jī)制

張媛媛

摘要：光信號(hào)參與并調(diào)節(jié)植物生命周期中的許多生理過(guò)程，而植物可通過(guò)自身的光感受器來(lái)感知多樣的光照信息。光敏色素（Phytochromes，phy）作為一種感知紅光/遠(yuǎn)紅光的植物色素蛋白，在植物種子發(fā)芽、開花、發(fā)育轉(zhuǎn)變、趨光性、避陰反應(yīng)等適應(yīng)性應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用。光敏色素以吸收紅光的非活性形式Pr和吸收遠(yuǎn)紅光的活性形式Pfr存在，這一差別明顯體現(xiàn)在二者的結(jié)構(gòu)中。綜述了光敏色素兩種形式的結(jié)構(gòu)差異及其信號(hào)調(diào)控機(jī)制，并以光敏色素在植物光合作用中的調(diào)節(jié)作用為例，進(jìn)一步理解光敏色素對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要性，最后對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：光敏色素;結(jié)構(gòu);信號(hào)調(diào)控;光合作用

中圖分類號(hào)：Q94? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）04-0005-05

Abstract： Light signals participate in and regulate multiple reactions in plant life cycles， and plants can obtain diverse optical information through their own photoreceptors. Phytochrome（phy） is one of the phytochrome proteins that sense red/far-red light， which plays an important role in developmental transitions such as germination and flowering， and adaptive responses such as phototropism and shade avoidance. Phytochromes exist in two interchangeable forms， the Pr form absorbs R light， whereas the Pfr form absorbs FR light， and this difference is evident in the structure of them. The structural differences and signal regulation mechanisms of the two forms of photopigmentation are reviewed. Moreover， we take the regulation of phytochrome on plant photosynthesis as an example to illustrate the significance of phytochrome for plant growth and development. Finally， the directions for future studies are discussed.

Key words： phytochrome; structure; signal regulation; photosynthesis

植物可以在兩種截然不同的光環(huán)境下完成生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程：在無(wú)光條件下的暗形態(tài)建成和光存在條件下的光形態(tài)建成[1]。暗生長(zhǎng)的植物為黃化表型，表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的下胚軸、封閉的子葉和頂端鉤，這些特征可以使幼苗在黑暗條件下利用種子中儲(chǔ)備的能量快速生長(zhǎng);光信號(hào)會(huì)抑制下胚軸的延伸，開放并擴(kuò)增子葉的面積，使幼苗可以獲得最佳的捕光能力而生長(zhǎng)[2]。但是光的波長(zhǎng)、方向、質(zhì)量和持續(xù)時(shí)間等因素會(huì)由于環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出明顯的差異，如植物冠層下的光照就具有典型的特征，其中光合色素可吸收的藍(lán)光和紅光顯著減少，而綠光和遠(yuǎn)紅光的吸收水平則相對(duì)升高。為了感知多樣的光照條件，植物自身進(jìn)化出多個(gè)光感受器，包括感應(yīng)UV-A/藍(lán)光的隱花素（Cryptochromes，cry）、光敏素（Phototropins）及ZTL/FKF1/LKP2;感應(yīng)紅光（Red Light，RL）/遠(yuǎn)紅光（Far-Red Light，F(xiàn)RL）的光敏色素等[3]。隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，擬南芥已成為研究光感受器的主要模式植物。綜述了擬南芥中的光敏色素家族，以期對(duì)光敏色素的結(jié)構(gòu)及其信號(hào)調(diào)控機(jī)制有更深入的理解。

1? 光敏色素的分類

擬南芥共編碼5種光敏色素蛋白，包括phyA～phyE。根據(jù)其穩(wěn)定性可分為兩類：Ⅰ型是相對(duì)不穩(wěn)定的蛋白，僅有phyA;Ⅱ型是相對(duì)穩(wěn)定的蛋白，包含phyB～phyE[4]。光敏色素以兩種可轉(zhuǎn)化的形式存在：Pr吸收RL（λmax=660 nm），Pfr吸收FRL（λmax=730 nm）。在黑暗中生長(zhǎng)的幼苗會(huì)合成Pr的形式，吸收RL后轉(zhuǎn)化為具有生物活性的Pfr形式;而Pfr形式又會(huì)吸收FRL快速逆轉(zhuǎn)到Pr形式，該逆轉(zhuǎn)過(guò)程也可發(fā)生在無(wú)光條件下，稱為暗逆轉(zhuǎn)或熱弛豫[5]。這一轉(zhuǎn)化機(jī)制使光敏色素具有RL/FRL依賴性的分子開關(guān)，進(jìn)而表現(xiàn)出可控的生物活性。Pr到Pfr的轉(zhuǎn)化會(huì)觸發(fā)Pfr由細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核移動(dòng)，從而促進(jìn)光敏色素與核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的相互作用[6]。但不是所有的光敏色素都會(huì)在光信號(hào)下發(fā)揮作用，phyA主要存在于暗生長(zhǎng)的黃化幼苗中，當(dāng)遇到光照時(shí)，其表達(dá)量會(huì)迅速下降。Ⅱ型光敏色素普遍存在于大多數(shù)植物中，其中phyB在綠色組織中的表達(dá)最為豐富[7]。

2? 光敏色素的結(jié)構(gòu)

光敏色素是一種含有bilin（或稱為開四吡咯）發(fā)色團(tuán)的光感受器，可以感知光的信息及變化[8]。光敏色素通常以同源二聚體的形式存在（分子質(zhì)量約為250 kDa），每個(gè)單體由N端的光敏模塊（Photosensory Module，PSM）和C端的輸出模塊（Output Module，OPM）組成，其中PSM可吸收光;OPM可促進(jìn)二聚化并傳遞光信號(hào)[9]。PSM依次包括N端的延伸區(qū)（N-Terminal Extension，NTE）、Per/Arnt/Sim（PAS）結(jié)構(gòu)域、連接bilin的cGMP磷酸二酯酶/腺苷酸環(huán)化酶/FhlA（cGMP Phosphodiesterase/Adenylyl cyclase/FhlA，GAF）結(jié)構(gòu)域及可以穩(wěn)定活化形式的phy特異性（Phy-Specific，PHY）結(jié)構(gòu)域;OPM包含2個(gè)連續(xù)的PAS結(jié)構(gòu)域和1個(gè)組氨酸激酶相關(guān)結(jié)構(gòu)域（Histidine Kinase-Related Domains，HKRD），HKRD可能通過(guò)與下游效應(yīng)因子相互作用或自身的激酶活性來(lái)參與信號(hào)傳導(dǎo)（圖1）[10]。

2.1? GAF及發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)域

植物中的光敏色素以植物色素（Phytochromobilin，PCB）作為發(fā)色團(tuán)，PCB通過(guò)硫醚鍵與GAF上保守的半胱氨酸結(jié)合[11]。PCB最初是在無(wú)活性的Pr形式下合成，表現(xiàn)為封閉的四吡咯環(huán)，吸收RL后轉(zhuǎn)化為具有生物活性的Pfr形式，封閉的四吡咯環(huán)打開并與GAF結(jié)合。轉(zhuǎn)化完成后的PCB構(gòu)象發(fā)生了明顯變化，四吡咯中的環(huán)A、B、C是固定的，而環(huán)D在吸收RL后會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)（約60°），導(dǎo)致Z到E的異構(gòu)轉(zhuǎn)換發(fā)生[12]。發(fā)生異構(gòu)時(shí)，Pr首先經(jīng)歷Lumi-R形式，隨后熱弛豫到Meta-R形式，最后到達(dá)Pfr形式;反之，Pfr吸收FRL后也會(huì)先形成Lumi-F和Meta-F的中間體，最后轉(zhuǎn)化為Pr形式（圖2）。有學(xué)者將bilin與GAF結(jié)合域的關(guān)鍵氨基酸突變，發(fā)現(xiàn)Pr到Pfr的轉(zhuǎn)化過(guò)程幾乎未受到影響，但Pfr到Pr的轉(zhuǎn)化卻受到了嚴(yán)重影響。如D307A的突變阻斷了Pfr的光轉(zhuǎn)化，使其出現(xiàn)脫色現(xiàn)象;H358A的突變中僅存在部分的bilin蛋白仍保留感光的能力，而大多數(shù)無(wú)法正確折疊[10]。這些研究結(jié)果表明，PCB發(fā)色團(tuán)與GAF的結(jié)合口袋會(huì)影響光敏色素生物學(xué)功能的正常發(fā)揮。

2.2? PHY結(jié)構(gòu)域

PHY結(jié)構(gòu)域?qū)τ诠饷羯氐墓饣瘜W(xué)反應(yīng)也至關(guān)重要。缺失PHY序列的片段（PCB仍結(jié)合在PSM上）可以產(chǎn)生Pr，但不能實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)化。觀察Pr和Pfr的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)PHY結(jié)構(gòu)域中發(fā)夾結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生了明顯改變，由Pr中反向平行的β-折疊重新排列為Pfr中的α-螺旋，進(jìn)而使發(fā)夾結(jié)構(gòu)與GAF的接觸也發(fā)生改變（圖1B）[12]。發(fā)夾結(jié)構(gòu)與GAF的接觸對(duì)于Pr形式的形成不是必要的，但對(duì)于Pr/Pfr互換及Pfr的熱穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的。如R582A的突變會(huì)使其熱轉(zhuǎn)變減慢25倍;S584A和S584E的突變會(huì)使其熱轉(zhuǎn)變加快750倍[10]。同時(shí)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)的變化信息可能會(huì)傳輸?shù)絆PM區(qū)域，導(dǎo)致姐妹單體的位置發(fā)生變化而觸發(fā)下游信號(hào)。

此外，富含甘氨酸/絲氨酸的NTE結(jié)構(gòu)域?qū)τ诠獾奈占癙fr的穩(wěn)定性和生物活性至關(guān)重要。缺失NTE序列的突變體最大光吸收值向短波段移動(dòng)，熱轉(zhuǎn)化的速率也明顯加快。

3? 光敏色素的信號(hào)調(diào)控機(jī)制

在光照條件下，phyA和phyB的表達(dá)被顯著抑制，由黑暗至RL的轉(zhuǎn)化期間，phyA的表達(dá)水平會(huì)迅速降低50到100倍，phyB的表達(dá)水平會(huì)逐漸降低4到5倍[13]。

phyA的表達(dá)受到轉(zhuǎn)錄及翻譯后水平上多種因子的負(fù)調(diào)控，且RL/FRL也會(huì)強(qiáng)烈降低phyA基因的轉(zhuǎn)錄，這與phyA座位處組蛋白修飾的變化存在一定關(guān)聯(lián)，如H3K9/14ac、H3K27ac和H3K4me3可以增強(qiáng)黑暗中phyA的活化;H3K27me3可以抑制光照下phyA的表達(dá)[14]。PhyA的Pfr形式會(huì)經(jīng)歷由E3泛素連接酶Cullin4（CUL4）、DNA損傷結(jié)合蛋白1（Damaged DNA Binding Protein1，DDB1）、組成型光形態(tài)建成1（Constitutively Photomorphogenic1，COP1）和表面活性物質(zhì)A（Surfactant Protein A，SPA）組成的復(fù)合物所介導(dǎo)的泛素-蛋白酶體依賴性的降解過(guò)程[15]。光照中磷酸化的phyA可以增強(qiáng)COP1-SPA復(fù)合物與phyA的識(shí)別，因?yàn)槲戳姿峄膒hyA會(huì)優(yōu)先與FHY1/FHY3相互作用[16]。phyA的降解主要發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中，在細(xì)胞核中的降解速度更快[17]。

phyB的表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在翻譯后水平上，因?yàn)閿M南芥中phyB基因的轉(zhuǎn)錄相對(duì)不受到光的影響。phyB的降解主要由COP1介導(dǎo)[18]，且光條件下的phyB會(huì)受到光敏色素相互作用因子（Phytochrome Interacting Factor，PIF）的負(fù)調(diào)節(jié)，PIF也可通過(guò)增強(qiáng)phyB和COP1之間的相互作用來(lái)促進(jìn)phyB的泛素化[19]。

3.1? Cullin4-RING泛素連接酶抑制光形態(tài)建成

CUL4是多亞基的Cullin-RING泛素連接酶超家族中的一員，成員間具有相似的結(jié)構(gòu)特征，其N末端可與適配體及底物結(jié)合以識(shí)別靶蛋白，C末端可與催化亞基RING結(jié)合[20]。在無(wú)光情況下，幼苗抑制光形態(tài)建成的研究可利用去黃化（De-etiolated，DET）或COP表型的擬南芥植株實(shí)現(xiàn)，通過(guò)遺傳學(xué)篩選并鑒定出一組抑制光形態(tài)建成的因子，如DET1、COP1、COP10、SPA1-4和COP9信號(hào)小體（COP9 Signalosome，CSN）[13]。這些阻遏蛋白質(zhì)主要參與3種由泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解過(guò)程，包括2種CUL4-E3泛素連接酶（CUL4-DDB1-DET1-COP10復(fù)合物和CUL4-DDB1-COP1-SPA復(fù)合物）和CSN，CSN是一種高度保守的蛋白質(zhì)復(fù)合物，可催化Cullin的類泛素化修飾反應(yīng)[21]。也有研究表明，光敏色素可抑制DET-COP在光環(huán)境中的功能，然而其機(jī)制尚未完全清楚[22]。有學(xué)者猜測(cè)可能是通過(guò)調(diào)節(jié)COP1在核/質(zhì)中的定位或是下調(diào)SPA1和SPA2的蛋白表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)COP1-SPA復(fù)合物的形成，也有人認(rèn)為該機(jī)制和隱花素在調(diào)節(jié)COP1-SPA1形成及COP1-SPA1與靶蛋白相互作用中的機(jī)制類似[23]。

3.2? PIF調(diào)節(jié)光敏色素信號(hào)

在細(xì)胞核中，光敏色素可與多個(gè)因子相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)控光應(yīng)答反應(yīng)。PIF是其中一類具有廣泛調(diào)節(jié)能力的轉(zhuǎn)錄因子，由堿性螺旋-環(huán)-螺旋（Basic Helix-Loop-Helix，bHLH）轉(zhuǎn)錄因子超家族的子集編碼[24]。擬南芥中包含8種PIFs，分別為PIF1～PIF8。所有的PIFs都具有與phyB結(jié)合的能力，PIF1和PIF3可同時(shí)與phyA和phyB結(jié)合[25]。除PIF2外，其余的PIFs都可以和光調(diào)節(jié)基因中的G-box（CACGTG）基序結(jié)合，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的激活子或抑制子。PIFs的生物學(xué)功能常出現(xiàn)重疊，在去黃化期間，PIF1、PIF3、PIF4、PIF5和PIF7均可參與下胚軸的生長(zhǎng)抑制[26];PIF1、PIF3和PIF5可通過(guò)下調(diào)編碼葉綠素合成酶中關(guān)鍵基因的表達(dá)來(lái)抑制葉綠體的發(fā)育[27]。PIF2的功能是比較獨(dú)特的，其可在體內(nèi)與COP1和phyB相互作用（COP1在無(wú)光條件下降解PIF2，phyB在光照條件下穩(wěn)定PIF2），且PIF2還會(huì)與PIF1、PIF3、PIF4和PIF5相互作用來(lái)抑制其表達(dá)[28]。

PIF的N末端含有與光敏色素相互作用的結(jié)構(gòu)域，C末端為bHLH的DNA結(jié)合域和形成二聚化的結(jié)構(gòu)域，PIF會(huì)優(yōu)先與光敏色素的活性形式Pfr結(jié)合[29]。PIF是光敏色素由暗反應(yīng)到光反應(yīng)過(guò)渡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，可以抑制光形態(tài)建成并維持黃化幼苗在黑暗中的生長(zhǎng)，通常作為光應(yīng)答的負(fù)調(diào)節(jié)子發(fā)揮作用（PIF6為正調(diào)節(jié)子）[30，31]。在光照條件下，光敏色素可通過(guò)快速磷酸化、泛素化及蛋白酶體介導(dǎo)的降解過(guò)程來(lái)抑制PIF的功能，實(shí)現(xiàn)光形態(tài)建成的過(guò)程。此外，PIF還在介導(dǎo)生物鐘相關(guān)的新陳代謝信號(hào)[32]、調(diào)節(jié)熱形態(tài)發(fā)生[33]和控制生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑信號(hào)[34]等途徑中發(fā)揮重要的作用。

4? 光敏色素對(duì)光合作用的調(diào)節(jié)

光敏色素參與調(diào)控了植物生長(zhǎng)周期中的多個(gè)生理過(guò)程，如種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開花等發(fā)育轉(zhuǎn)變和趨光性、晝夜節(jié)律、避陰反應(yīng)等適應(yīng)性應(yīng)答，而關(guān)于光敏色素在光合作用中的功能研究是相對(duì)少的[35]。由環(huán)境中的壓力因素引起的氧化應(yīng)激抗性是表征光合作用元件（Photosynthetic Apparatus，PA）狀態(tài)的重要參數(shù)之一[36]。光敏色素有助于植物的PA適應(yīng)氧化應(yīng)激的發(fā)展，數(shù)據(jù)表明，提高Pfr/Ptotal（Ptotal=Pfr+Pr）比例或光敏色素的表達(dá)量可以幫助光合作用在脅迫條件下的正常發(fā)生[37]。

Pfr含量通常取決于植物所處環(huán)境的RL/FRL[38]，將長(zhǎng)時(shí)間暴露在黑暗中的植物進(jìn)行短期的RL照射后，Pfr含量會(huì)明顯增加。足夠高的Pfr/Ptotal比例對(duì)于維持成熟葉片中的葉綠素水平和老化葉片中葉綠體的結(jié)構(gòu)完整性是必要的[39]。使用365 nm的UV照射會(huì)加速葉綠素的流失，再以5 min/d的低強(qiáng)度的RL照射7 d后，由UV-A照射導(dǎo)致的葉綠素減少可被部分消除[40]。UV-A會(huì)增強(qiáng)脂質(zhì)過(guò)氧化，這可能是由于其照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高水平的活性氧。當(dāng)使用UV-A和RL的組合照射時(shí)，葉綠素的流失會(huì)明顯減緩，可見高Pfr/Ptotal比例會(huì)降低植物對(duì)氧化應(yīng)激的敏感性。

此外，光敏色素的表達(dá)量也會(huì)影響光合作用的進(jìn)行。擬南芥下胚軸的hy1和hy2突變體會(huì)由于PCB的生物合成減少而下調(diào)所有光敏色素的表達(dá)[41];hy3突變體會(huì)使phyB的蛋白表達(dá)量下降20～50倍，轉(zhuǎn)錄物下降20～30倍，但phyA不受影響[42]。已知用RL照射的植物會(huì)降低由UV照射引起的葉綠素?fù)p失，然而對(duì)于hy2和hy3突變體，RL的照射幾乎是無(wú)作用的，表明phyB的存在對(duì)于葉綠素生物合成是必要的[43]。同時(shí)，擬南芥phyA-211和phyB-9雙突變體與野生型相比會(huì)顯示出較大的UV-C抗性差異，僅phyB-9突變體與野生型無(wú)明顯差別，表明phyA與phyB類似，對(duì)于植物氧化應(yīng)激的抗性維持非常重要[44，45]。此外，在馬鈴薯、番茄、棉花和水稻中的多組試驗(yàn)也體現(xiàn)了phyA和phyB對(duì)于葉綠素生物合成的重要性[37]?？梢妏hyA和phyB是葉綠素生物合成的重要參與者，二者對(duì)于脅迫條件下光合作用的正常進(jìn)行至關(guān)重要。

5? 討論

植物不僅通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，還可利用光來(lái)調(diào)節(jié)生命周期中的多個(gè)生理過(guò)程，因此針對(duì)光敏色素的結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)控機(jī)制的研究由來(lái)已久，但是仍然存在許多問題亟待解決。目前，雖然擬南芥phyB的晶體結(jié)構(gòu)已被解析，但是相比于原核生物，對(duì)植物中光敏色素結(jié)構(gòu)信息的了解還不夠，如PSM和OPM間有怎樣的相互作用，PAS結(jié)構(gòu)域?qū)τ诠饷羯氐墓δ苡性鯓拥挠绊?，?duì)于結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊的功能及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，是深入探究光敏色素的信號(hào)與功能的前提。

許多因子都會(huì)與光敏色素相互作用以調(diào)控其信號(hào)傳導(dǎo)，而轉(zhuǎn)錄后及翻譯后的修飾更加顯著地增加了其信號(hào)傳導(dǎo)的多樣性，使光敏色素表現(xiàn)出更為豐富的功能。此外，光敏色素自身的表達(dá)也存在時(shí)空特異性，根據(jù)特定細(xì)胞器、組織及器官中感受光及光反應(yīng)的不同而表現(xiàn)出更多的可能性。多因素介導(dǎo)的復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制增加了對(duì)于光敏色素信號(hào)調(diào)控機(jī)制的研究難度，而光敏色素調(diào)節(jié)的生物學(xué)應(yīng)答及介導(dǎo)的生理學(xué)功能都需要深入研究。

目前，光敏色素的研究主要集中在擬南芥、藍(lán)細(xì)菌等生物中[46]，那么在擬南芥中的調(diào)節(jié)機(jī)制是否適用于農(nóng)作物呢，尤其是在光對(duì)于養(yǎng)分的吸收和利用等問題的研究中，這對(duì)于改良并發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要。同時(shí)，光遺傳學(xué)的發(fā)展也使研究者將更多的目光聚集在感光蛋白的研究上，利用光敏色素的激活系統(tǒng)可能會(huì)開發(fā)出更為強(qiáng)大的新型系統(tǒng)控制機(jī)制。因而，闡明光敏色素的結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)控機(jī)制對(duì)于深入理解其功能，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的交叉研究有著重要的意義。

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