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Li J*, Hiltbrunner A* (2021) Is the Pr form of phytochrome biologically active in the nucleus? Mol Plant, DOI: https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.002.
Source:Skppb    Updated:2021-3-5 8:30:07    ClickNum:173

Li J*, Hiltbrunner A* (2021) Is the Pr form of phytochrome biologically active in the nucleus? Mol Plant, DOI: https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.002.

        李继刚与合作者发表光敏色素活性形式的观点论文

        光敏色素 (phytochrome) 是植物感知红光 (600-700 nm) 和远红光 (700-750 nm) 的光受体。在拟南芥中有五个光敏色素成员,命名为phyA-phyE。光敏色素有红光吸收型 (Pr) 和远红光吸收型 (Pfr) 两种构象形式,两种形式之间可以相互转换:Pr吸收红光后转变为Pfr,而Pfr吸收远红光后转变为Pr (Li et al., 2011)。在黑暗下生长的植物中,光敏色素以Pr形式在细胞质中合成;当植物接收到光照后,Pr形式的光敏色素转变为Pfr形式,后者进入细胞核中,阻碍COP1与SPA蛋白相互作用从而抑制COP1的E3泛素连接酶活性,使光形态建成的促进因子 (如转录因子HY5) 快速积累,最终使植物对光信号做出生理响应。长期以来,人们普遍认为Pfr形式是光敏色素的生理活性形式,而Pr是非活性形式。
        拟南芥所有五个光敏色素受体蛋白在体外或者酵母中都具有相似的吸收光谱和光化学特性。由于红光促使光敏色素由Pr转变为Pfr,而Pfr是人们认为的生理活性形式,因此红光应该是光敏色素发挥功能的光谱范围。phyB-phyE确实符合这个推断,但是phyA却是例外:在远红光下尽管只有大约3%的phyA处于Pfr构象,远红光却是phyA发挥峰值功能 (action peak) 的光谱范围。与phyB-phyE相比,phyA在体内具有两个显著的特性:一是phyA在照射红光后快速降解,而phyB-phyE在光下相对比较稳定;二是phyA在照光后迅速进入细胞核 (照光几分钟后即可检测到phyA-GFP在细胞核中的荧光信号),而phyB-phyE在照光后进入细胞核的速度相对比较缓慢 (通常要数小时)。进一步的研究表明,phyB在接收红光转变为Pfr形式后,可以暴露自身的核定位信号 (NLS),自主进入细胞核 (Chen et al., 2005);phyA自身不含有核定位信号,其入核依赖由FHY1和FHL介导的入核转运机制 (Hiltbrunner et al., 2005, 2006)。2011年,Andreas Hiltbrunner研究团队发表数学模型来解释phyA何以成为植物中唯一感受并响应远红光信号的光受体,指出phyA自身的特性 (如光不稳定性以及依赖FHY1/FHL的入核机制) 使其发挥峰值功能的光谱从红光转移至远红光 (Rausenberger et al., 2011)。
        多年前就有研究显示,尽管在黑暗下的phyA Pr形式没有生理功能,但是在光下由phyA Pfr转变的phyA Pr可能具有生理功能 (Shinomura et al., 2000)。最近几年,Andreas Hiltbrunner团队和李继刚团队在各自的研究中都发现,当给phyA加一个NLS使其组成型定位于细胞核中时,phyA Pr表现出一定的生物学活性。主要的证据来自两个实验体系:一是在酵母三杂交实验中,虽然phyA Pfr能够显著抑制COP1和SPA蛋白的相互作用,phyA Pr也表现出较强的抑制活性 (Sheerin et al., 2015; Zhou et al., 2018);二是表达phyA-NLS-YFP的转基因幼苗在完全黑暗下生长时,如果phyA-NLS-YFP的表达量比较高,尽管完全处于Pr形式,phyA-NLS-YFP也能够诱使转基因幼苗产生组成型光形态建成 (cop) 的表型——下胚轴变短且子叶打开 (Menon et al., 2020)。这些结果表明,组成型定位于细胞核的phyA Pr形式具有一定的生物学活性。同时,也要注意以下几点:一是在黑暗下生长的野生型植物幼苗中,phyA处于Pr形式,不能与FHY1/FHL互作,因此FHY1/FHL介导的入核转运机制能够将phyA完全限定在细胞质中,防止其进入细胞核起始光信号;二是组成型定位于细胞核的phyA Pr活性比phyA Pfr低很多;三是目前的证据只表明组成型定位于细胞核的phyA Pr具有一定的生物学活性,而组成型定位于细胞核的phyB Pr比phyA Pr的活性低很多,最多只能改变黄化幼苗顶点弯钩的角度 (Lyu et al., 2019)。
        在这些研究中均是给phyA或者phyB人为添加一个核定位信号,使其组成型定位于细胞核中。那么,在野生型植物的细胞核中是否存在phyA Pr呢?需要指出的是,在phyA发挥峰值功能的条件下 (如人工的单色远红光条件或者重度遮荫的自然条件下),当FHY1/FHL将phyA Pfr转运至细胞核后,绝大部分的phyA Pfr会转变为Pr (图1),因此在野生型植物的细胞核中phyA Pr是很丰富的。这部分的phyA Pr能否发挥信号转导的功能 (图1),还有待未来研究的证实。此外,在先前的研究中报道过大量能够与phyA Pr相互作用的信号分子,而这些互作是否有生物学意义,也有待进一步的研究。
 
图1. 细胞核中的phyA Pr形式可能具有一定的生物学活性。

        该项研究成果于2021年3月3日在线发表在国际学术期刊Mol Plant (https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.03.002)。李继刚教授为该论文的第一作者及共同通讯作者,Andreas Hiltbrunner教授为共同通讯作者,齐立娟博士为该论文绘制了模型图。该论文得到了国家自然科学基金和德国研究基金的经费支持。


参考文献
Chen, M., Tao, Y., Lim, J., Shaw, A., and Chory, J. (2005). Regulation of phytochrome B nuclear localization through light-dependent unmasking of nuclear-localization signals. Curr. Biol. 15:637-642.

Hiltbrunner, A., Tscheuschler, A., Viczian, A., Kunkel, T., Kircher, S., and Schafer, E. (2006). FHY1 and FHL act together to mediate nuclear accumulation of the phytochrome A photoreceptor. Plant Cell Physiol. 47:1023-1034.

Hiltbrunner, A., Viczian, A., Bury, E., Tscheuschler, A., Kircher, S., Toth, R., Honsberger, A., Nagy, F., Fankhauser, C., and Schafer, E. (2005). Nuclear accumulation of the phytochrome A photoreceptor requires FHY1. Curr. Biol. 15:2125-2130.
Li, J., Li, G., Wang, H., and Deng, X.W. (2011). Phytochrome signaling mechanisms. Arabidopsis Book 9:e0148.

Lyu, M., Shi, H., Li, Y., Kuang, K., Yang, Z., Li, J., Chen, D., Li, Y., Kou, X., and Zhong, S. (2019). Oligomerization and photo-deoligomerization of HOOKLESS1 controls plant differential cell growth. Dev. Cell 51:78-88.

Menon C., Klose C., and Hiltbrunner A. (2020). Arabidopsis FHY1 and FHY1-LIKE are not required for phytochrome A signal transduction in the nucleus. Plant Comm. 1:100007.

Rausenberger, J., Tscheuschler, A., Nordmeier, W., Wüst, F., Timmer, J., Schäfer, E., Fleck, C., and Hiltbrunner, A. (2011). Photoconversion and nuclear trafficking cycles determine phytochrome A's response profile to far-red light. Cell 146:813-825.

Sheerin, D.J., Menon, C., zur Oven-Krockhaus, S., Enderle, B., Zhu, L., Johnen, P., Schleifenbaum, F., Stierhof, Y.D., Huq, E., and Hiltbrunner, A. (2015). Light-activated phytochrome A and B interact with members of the SPA family to promote photomorphogenesis in Arabidopsis by reorganizing the COP1/SPA complex. Plant Cell 27:189-201.

Shinomura, T., Uchida, K., Furuya, M. (2000). Elementary processes of photoperception by phytochrome A for high-irradiance response of hypocotyl elongation in Arabidopsis. Plant Physiol. 122:147-156.

Zhou, Y., Yang, L., Duan, J., Cheng, J., Shen, Y., Wang, X., Han, R., Li, H., Li, Z., Wang, L., et al. (2018). Hinge region of Arabidopsis phyA plays an important role in regulating phyA function. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 115:E11864–E11873.