COP1调控光形态建成中转录因子的稳定性

光形态建成由两组转录因子相反调节。COP1可降解正调节因子，但可稳定负调节因子以抑制光形态建成。COP1可作为E3连接酶降解底物。最近的两项研究揭示了COP1稳定负调控转录因子的分子机制。

陆生植物幼苗在地下黑暗环境中生长时采用称为暗形态建成的发育策略。此环境下幼苗表现出长的下胚轴、弯曲的顶端钩和封闭的子叶。这种形态有助于幼苗快速向土壤表面生长，并可保护脆弱的分生组织免受机械损伤。一旦幼苗突破土壤表面，光诱导其从暗形态建成转变至光形态建成，包括抑制下胚轴伸长、顶端展开和子叶开放。

COP1最初通过拟南芥的遗传筛选鉴定，其隐性突变体在黑暗中表现出组成型光形态建成。COP1蛋白含有三个蛋白质-蛋白质互作结构域：N末端的RING指区、中心卷曲螺旋结构域以及C末端的七个WD40重复区。探究COP1分子功能的重大突破即发现COP1为E3泛素连接酶，可介导光形态建成过程中正调控转录因子的蛋白水解。大量研究表明，COP1可以自由形式作为功能性E3连接酶或作为COP1-SPA-CUL 4复合体的一部分。在复合体中，核心组分SPA蛋白可直接与COP1相互作用并增强COP1的E3连接酶活性。黑暗条件下，COP1可与正调控光形态建成的转录因子，如HY5和HYH直接相互作用，并通过26S蛋白酶体进行蛋白质泛素化与降解（图1）。相比之下，COP1已被证实可显著地稳定抑制光形态建成的转录因子，如光敏色素互作因子（PIF）和EIN3/EIL1。因此，COP1在抑制光形态建成过程中起核心作用。然而，COP1稳定负调控转录因子的分子机制在很大程度上是未知的。

最近研究发现，黑暗条件下COP1可以非蛋白水解方式稳定PIF3。之前的研究表明，黄化的cop1-4幼苗中几乎检测不到内源PIF3蛋白。Ling等发现类GSK3激酶BIN2在COP1调节的PIF3蛋白质周转中起重要作用。内源和重组PIF3蛋白在功能获得突变体bin2-1中显著降解，而在功能缺失三突变体bin2-3 bil1 bil2中PIF3积累较为丰富。四突变体cop1-4 bin2-3 bil1 bil2则回复了PIF3蛋白水平（从cop1-4中几乎检测不到回复至野生型相当的水平），表明BIN2及其同源物作用于COP1下游以稳定PIF3。研究发现通过BIN2磷酸化PIF3对COP1稳定PIF3是必需的。Ling等推断COP1-SPA复合体可干扰BIN2-PIF3的相互作用，从而稳定了PIF3蛋白。酵母双杂交和体外pull-down实验表明，SPA1、BIN2可与PIF3的相同区域相互作用，而COP1只与BIN2相互作用，而不与PIF3互作。体外与体内实验进一步揭示了COP1和SPA1可抑制BIN2-PIF3的互作以及BIN2介导的PIF3磷酸化[10]（图1）。这些研究结果表明，COP1-SPA1复合体通过阻断BIN2介导的PIF3磷酸化与降解以稳定PIF3，其中COP1结合BIN2，而SPA竞争性地干扰PIF3与BIN2之间的相互作用。本研究发现了一种新机制，即COP1作为阻断剂以非蛋白水解方式稳定光形态建成的负调节因子。

虽然EIN3与PIF3在抑制光形态建成方面的功能类似，但之前我们提出了一种不同的COP1稳定EIN3模式。遗传分析表明，co1-4突变体中过表达EIN3回复了cop1-4在暗形态建成（子叶开放和扩展）和出苗方面的缺陷，表明EIN3对COP1具上位性。此外，COP1可通过调节EIN3蛋白的稳定性而非转录水平以促进其积累。为研究COP1如何稳定EIN3，已进行大量生化实验，结果如下：（1）COP1可与细胞核中的EBF1及EBF2相互作用；（2）COP1可在体外泛素化EBF1/2；（3）COP1通过26S蛋白酶体降解EBF1/2蛋白。因此，COP1、EBF1/2和EIN3组成了一个E3泛素连接酶调控模块，该模块可使EIN3蛋白在黑暗条件下保持较高水平；随着幼苗向上生长至土壤表面逐渐减少（图1）。这种精细的E3泛素连接酶调控模块可确保有效和精确地调节靶蛋白水平。

结语

长期以来，研究人员已发现COP1可直接靶向光形态建成的正调节因子，以泛素化和降解蛋白质。本文重点提及的两项研究提出了COP1 的“阻断因子模式”和“串联E3泛素连接酶模块”新作用模式，以揭示COP1如何稳定光形态建成负调节因子的分子机制。COP1通过阻断PIF3与其激酶BIN2的相互作用以稳定PIF3。此外，COP1可作为EIN3 E3连接酶EBF1/2的E3连接酶以稳定EIN3。

未来仍有一些问题待继续研究，如：

（1）COP1如何靶向特定途径的不同底物？线索之一是WD40重复结构域已被证明介导COP1和光形态建成正调节因子的相互作用，而COP1通过RING指及卷曲螺旋结构域与EBF1/2相互作用。蛋白复合体结晶与结构测定等新的实验策略将有助于更好地了解COP1的多功能机制。

（2）这两项研究的COP1非经典模式的关系是什么？最近的两项研究揭示，EBF1和EBF2可与PIF3相互作用并介导光诱导的PIF3蛋白降解[11,12]。黄化苗是否同样采用COP1-EBF1/2-PIF3串联的E3连接酶级联来稳定PIF3丰度是非常吸引人的课题。因此，探讨COP1是否通过两种途径稳定底物或在某些条件下通过一种特定模式将是有趣的。

（3）SPA在COP1非经典模式中的作用是什么？对于串联的E3泛素连接酶模块，SPA是否参与仍不甚清楚。对于阻断因子模式，spaQ突变体表明，SPA蛋白介导BIN2磷酸化PIF3。此外，蛋白质-蛋白质互作分析表明，SPA1，而非全长COP1，可与PIF3相互作用。然而，在体外磷酸化实验中，COP1可降低BIN2介导的PIF3磷酸化，而不需要SPA1。因此，需要进一步研究以阐明SPA的作用。

附：

COP1: CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1;

SPA: SUPPRESSOR of phyA-105;

CULLIN: CULLIN;

HY5: ELONGATED HYPOCOTYL 5;

HYH: HY5 HOMOLOG;

PIF: PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR;

EIN: ETHYLENE INSENSITIVE;

BIN: BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE.