上海交大****植物蓝光受体研究新进展

　　

生物通报道  4月21日上海交通大学农业与生物学院植物科学研究所的研究人员在生物学国际权威期刊《基因与发育》（Genes & Development）上发表了最新研究成果：依赖于蓝光的CRY1与SPA1相互作用突显了动态的光信号转导机理。

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领导这一研究的是上海交通大学的杨洪全教授，其早年毕业于四川农业大学。2001年入选中国科学院“****”，2003年获得国家杰出青年科学基金，2005年被聘为教育部“****”特聘教授。2006年4月起任上海交通大学农业与生物学院教授、博士生导师，2007年成为国家“新世纪百千万人才工程”入选者。　杨洪全教授研究团队的助理研究员连红莉博士为该论文的第一作者，该研究得到了国家自然科学基金委、农业部和上海市科委的经费支持。

光是最重要的环境因子之一，它不仅是植物光合作用的能量来源，同时也是植物生长发育的信号来源。植物通过内在感应光的信号分子——光受体介导的信号转导途径来调控植物的生长发育。在模式植物拟南芥中至少存在3 类光受体：蓝光受体隐花色素 (CRY) 、蓝光受体向光素（PHOT），以及红光/远红光受体光敏色素（PHY）。其中蓝光受体CRY是重要的光受体，在植物中调控光形态建成、开花时间、生物节律性、气孔开放和气孔发育等重要生理过程。此外，CRY在动物中也参与调控生物节律性。

拟南芥蓝光受体CRY（包含CRY1和CRY2）信号转导机理涉及与一个含有锌指结构域的E3泛素连接酶——COP1的直接蛋白相互作用。其作用的后果是，抑制COP1的活性，使其底物HY5（转录因子）发生积累，从而促进光形态建成。但到目前为止，除了COP1之外，尚不清楚在CRY1信号转导途径中是否还存在其它直接相互作用的下游信号转导因子，以及CRY1信号转导是否涉及依赖于蓝光的生化机理。

该研究通过酵母双杂交系统，发现拟南芥CRY1和CRY2都与SPA1发生依赖于蓝光的直接蛋白相互作用：在黑暗条件下CRY1和CRY2与SPA1不能发生相互作用，而蓝光照射促进它们的相互作用，并且随着蓝光照射强度的增加或照射时间的延长而增强；体内蛋白质共定位分析表明，CRY1和CRY2与SPA1在拟南芥原生质体和洋葱表皮细胞核内均发生共定位；免疫共沉淀分析（Co-IP）表明，在拟南芥中CRY1与SPA1只能在蓝光照射条件下发生相互作用，而在黑暗处理、红光和远红光照射条件下它们均不能发生相互作用。这种蓝光诱导的CRY1——SPA1相互作用是一个十分灵敏的过程，短至30秒的蓝光处理即可导致明显的相互作用，并且随着蓝光照射强度的增加或照射时间的延长而增强；以前的研究表明，SPA家族有4个成员：SPA1、SPA2、SPA3和SPA4。它们都是光形态建成的负调控因子，通过共同作用促进COP1的活性。SPA1 SPA2 SPA3 SPA4四突变体与COP1具有相似的组成型光形态建成的表型。该研究构建了CRY1 SPA1 SPA2 SPA3 SPA4五突变体，以及CRY2 SPA1 SPA2 SPA3和CRY2 SPA1 SPA3 SPA4四突变体，并通过遗传关系分析，发现SPA1、SPA2、SPA3和SPA4在遗传上位于CRY1和CRY2的下游调控光形态建成、气孔发育和光周期开花时间；酵母三杂交系统和植物体内免疫共沉淀分析表明，蓝光诱导的CRY1——SPA1相互作用导致COP1与SPA1的结合受到抑制，从而促进COP1——SPA1复合体的解离。这一系列由蓝光诱导的生化过程的后果是，导致COP1的活性下降，其底物HY5蛋白的稳定性增强而发生积累，最终促进光形态建成。因此，由蓝光诱导的CRY1与SPA1的相互作用及其由此导致的COP1——SPA1复合体的解离突显了CRY1信号转导的动态特征。

（生物通：何嫱）

文章摘要：
Blue-light-dependent interaction of cryptochrome 1 with SPA1 defines a dynamic signaling mechanism

Cryptochromes (CRYs) are blue-light photoreceptors that mediate various light responses in plants and animals. The signaling mechanism by which CRYs regulate light responses involves their physical interactions with COP1. Here, we report that CRY1 interacts physically with SPA1 in a blue-light-dependent manner. SPA acts genetically downstream from CRYs to regulate light-controlled development. Blue-light activation of CRY1 attenuates the association of COP1 with SPA1 in both yeast and plant cells. These results indicate that the blue-light-triggered CRY1–SPA1 interaction may negatively regulate COP1, at least in part, by promoting the dissociation of COP1 from SPA1. This interaction and consequent dissociation define a dynamic photosensory signaling mechanism.

作者简介：
杨洪全
1987年和1990年先后在四川农业大学获得学士和硕士学位。1995年在中国科学院上海植物生理研究所获得植物分子遗传学博士学位。1995年至2001年在美国宾夕法尼亚大学生物系植物科学研究所先后做博士后和Research Associate。2001年入选中国科学院“****”，被聘为中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员、博士生导师。2006年4月起任上海交通大学农业与生物学院教授、博士生导师。2003年度国家杰出青年科学基金获得者、2005年度教育部“****”特聘教授、2007年度国家“新世纪百千万人才工程”入选者。

从事的研究领域
以拟南芥为主要模式系统，利用遗传学、生物化学、细胞生物学和分子生物学等综合手段， 研究高等植物光控发育的分子机理。蓝光受体隐花色素CRY（包含CRY1和CRY2）在植物、动物和昆虫生长发育过程中发挥极其重要的作用。在拟南芥里CRY调控光形态建成、开花时间和生物钟。自CRY在拟南芥中被阐明调控生物钟的功能后，在果蝇和小鼠里被证明同样参与对生物节律性的调控。通过我们的工作，发现拟南芥蓝光受体CRY的C端功能区在拟南芥中的表达导致了组成型光形态建成的表型（COP表现型），阐明了拟南芥CRY通过该功能域传递光信号，找到了CRY1信号转导途径的下游信号传递因子COP1，弄清了CRY1对蓝光信号的传导是通过其C端功能区与COP1直接的蛋白质相互作用来实现的，建立了CRY1信号转导的基本途径；发现CRY1通过其N端功能区发生不依赖于光的二聚化，并证明了N端功能区介导的二聚化对于光激活CRY1的信号转导途径是必须的；揭示了拟南芥CRY 和COP1介导蓝光诱导气孔开放的新功能，证明了CRY和向光素蓝光受体PHOT共同完成对气孔开放的调节。阐明了COP1是气孔开放的负调控因子，并位于CRY信号转导途径的下游发挥功能；建立了CRY调控光周期开花时间的信号转导途径，阐明了CRY-COP1信号系统调控光周期开花时间的主要的分子机理，即在长日照条件下光激活CRY后，通过与COP1直接的蛋白相互租用，使COP1对CO的E3泛素连接酶活性被免除或削弱，这样CO蛋白稳定性增加并发生积累，激活成花素FT编码基因的转录，从而促进开花。