近日，我校生命科學(xué)學(xué)院楊洪全教授團(tuán)隊(duì)在The Plant Cell在線(xiàn)發(fā)表了題為Arabidopsis Cryptochrome 1 Controls Photomorphogenesis through Regulation of H2A.Z Deposition的研究論文，該論文揭示了擬南芥藍(lán)光受體隱花素CRY1通過(guò)調(diào)控H2A.Z占位來(lái)調(diào)控光形態(tài)建成的分子機(jī)制。

太陽(yáng)光不僅是植物進(jìn)行光合作用的能量來(lái)源，同時(shí)也是植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的重要信號(hào)來(lái)源。植物可以通過(guò)多種光受體來(lái)感受不同波長(zhǎng)、強(qiáng)度和方向的光，從而來(lái)適應(yīng)不同光環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)和發(fā)育。藍(lán)光受體隱花素(cryptochrome)是最早被發(fā)現(xiàn)的藍(lán)光受體，在擬南芥中有2個(gè)CRY：CRY1和CRY2。CRY1主要參與調(diào)控光形態(tài)建成，而CRY2則主要參與調(diào)控光周期開(kāi)花時(shí)間。CRY1蛋白通過(guò)其的C端延伸結(jié)構(gòu)域可以與E3泛素連接酶COP1以及COP1的增強(qiáng)子SPAs蛋白發(fā)生相互作用，抑制COP1-SPAs復(fù)合物的活性，促進(jìn)COP1的底物------光形態(tài)建成的正調(diào)控因子HY5的蛋白積累，從而促進(jìn)光形態(tài)建成。HY5作為bZIP家族轉(zhuǎn)錄因子可以促進(jìn)光形態(tài)建成相關(guān)基因表達(dá)（例如參與葉綠素合成和光合作用的基因），抑制暗形態(tài)建成相關(guān)基因的表達(dá)（例如促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)過(guò)程的基因）。

H2A.Z是進(jìn)化上非常保守的組蛋白H2A的變體蛋白，從最簡(jiǎn)單的真核生物釀酒酵母到人類(lèi)中都廣泛分布，參與了轉(zhuǎn)錄調(diào)控和DNA修復(fù)等重要過(guò)程。H2A.Z在染色質(zhì)上的替換主要是由ATP依賴(lài)的SWR1復(fù)合物來(lái)催化完成，在擬南芥中研究比較清楚的復(fù)合物亞基是SWC6和ARP6，兩者存在相互作用，并且都位于復(fù)合物的C模塊。楊洪全教授實(shí)驗(yàn)室以CRY1的N端功能區(qū)（CNT1）作為誘餌蛋白，通過(guò)酵母雙雜交系統(tǒng)篩選相互作用蛋白，獲得了一個(gè)新的CRY1的互作蛋白SWC6。通過(guò)一系列蛋白—蛋白相互作用的實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)CRY1分別與SWC6和ARP6發(fā)生藍(lán)光依賴(lài)性的互作。通過(guò)突變體下胚軸表型分析，發(fā)現(xiàn)SWC6、ARP6和H2A.Z在藍(lán)光、紅光和遠(yuǎn)紅光下都抑制下胚軸的伸長(zhǎng)，在藍(lán)光下還可以促進(jìn)葉綠素的合成。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的方法，分析了CRYs和ARP6在藍(lán)光下共同調(diào)控的基因，其中有73%的基因被兩者同向調(diào)控；通過(guò)分析ARP6和HY5/HYH共同調(diào)控基因，發(fā)現(xiàn)其中有88%的基因被兩者同向調(diào)控。RT-qPCR分析顯示，很多促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)基因的表達(dá)同時(shí)被CRYs、ARP6和HY5/HYH所抑制，而一些促進(jìn)葉綠素合成和參與光合作用相關(guān)的基因表達(dá)則同時(shí)被CRYs、ARP6和HY5/HYH所促進(jìn)。通過(guò)ChIP-qPCR分析，發(fā)現(xiàn)HY5的靶基因EXP2、IAA19、XTH33、HEMA1和RBCS1A上的H2A.Z的占位依賴(lài)于SWC6和ARP6。進(jìn)一步的ChIP-qPCR分析表明，CRYs介導(dǎo)藍(lán)光促進(jìn)EXP2、IAA19和XTH33基因上的H2A.Z占位，以及HY5/HYH促進(jìn)這些基因上的H2A.Z的占位。通過(guò)蛋白—蛋白互作分析，發(fā)現(xiàn)HY5和HYH分別與SWC6和ARP6發(fā)生直接互作，由此可能招募SWR1復(fù)合物來(lái)促進(jìn)H2A.Z的占位。進(jìn)一步通過(guò)蛋白互作分析，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光激活的CRY1可以促進(jìn)SWC6和ARP6之間的互作，進(jìn)而可能促進(jìn)SWR1復(fù)合物的活性。這些結(jié)果表明，在藍(lán)光條件下，CRY1一方面可能通過(guò)與SWC6和ARP6互作，來(lái)增強(qiáng)SWR1復(fù)合物活性來(lái)促進(jìn)H2A.Z的占位；另一方面還可能通過(guò)抑制COP1的活性來(lái)促進(jìn)HY5蛋白的積累，通過(guò)與SWC6/ARP6的互作來(lái)增加對(duì)SWR1復(fù)合物的招募量來(lái)促進(jìn)H2A.Z的占位。上述兩層調(diào)控雙管齊下，CRY1可以高效介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào)對(duì)H2A.Z在HY5靶基因上占位的促進(jìn)，從而促進(jìn)光形態(tài)建成。結(jié)合這兩方面的因素，CRY1可以促進(jìn)H2A.Z在HY5靶基因（促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)）上的H2A.Z占位，抑制這些基因的表達(dá)，從而促進(jìn)光形態(tài)建成過(guò)程。另外，這些結(jié)果暗示SWC6和ARP6是HY5潛在的伴侶蛋白，來(lái)參與調(diào)控HY5的轉(zhuǎn)錄活性。

藍(lán)光受體CRY1通過(guò)促進(jìn)H2A.Z占位來(lái)促進(jìn)植物光形態(tài)建成機(jī)制的模型圖

該研究工作的第一作者為我校生命科學(xué)學(xué)院茅志磊博士，通訊作者為楊洪全教授。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。

(供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）

論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koab091