Nature Plants | HY5调控光形态建成功能的辅因子——BBX蛋白

光不仅为植物的光合作用提供能量，而且还是一种重要的环境信号，调控植物生长和发育的多个过程。植物在整个生长发育过程都需要对外界的光进行感知并作出适应性反应。光信号的关键抑制因子COP1-SPA ( CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1/SUPPRESSOR OF PHY A-105) E3泛素化连接酶复合体，可以通过降解光形态建成的正向调节因子以抑制光形态建成【1】；而光照会抑制COP1-SPA复合体的活性并导致去黄化的发生。

研究表明，COP1-SPA可以引起植物发育相关的许多调节因子的降解，其中bZIP转录因子HY5作为下胚轴伸长，花色苷和叶绿素积累的调节因子，也受到COP1的负调控【2】。此外，光引起的COP1的抑制会导致HY5积累，继而激活转录级联反应并促进去黄化和光形态建成。有趣的是，HY5过表达并不会增强光形态建成表型，而黑暗条件下的HY5过表达也不会引起去黄化【3】，并且HY5蛋白中缺少反式激活结构域，这意味着COP1-HY5调控模块中包含未知X因子，并且该因子具备以下特征：①受到COP1的负调控且功能上依赖于HY5；② x突变体与hy5突变体表型一致并且X过表达会导致超光形态建成。

根据以上特征，B-box锌指转录因子可与X因子匹配。同样作为光形态发生的正调控因子，BBX20、BBX21和BBX22的水平受到COP1的负调控并且其过表达导致幼苗的光敏感【4】。此外，也有研究表明这三个因子与HY5直接相互作用并对HY5具有功能依赖性【5】。但是目前尚不清楚以上基于功能进行的推测是否成立。

近日，德国Freie Universitt Berlin的Henrik Johansson课题组在Nature Plants发表了一篇题为Identification of BBX proteins as rate-limiting cofactors of HY5的研究论文，研究了BBX转录因子在COP1-HY5模块中的功能并阐明了BBX蛋白作为HY5限速辅因子的作用机制。

该研究首先对BBX20的功能进行了验证，发现bbx20-1突变体表现出下胚轴伸长表型而BBX20的过表达则抑制了下胚轴伸长。该研究还构建了bbx202122三重突变体以验证几种BBX蛋白的功能亘余，结果发现三重突变体增强了下胚轴伸长和花青素降低（hy5表型），但是没有引起其他表型变化，表明BX20、BBX21和BBX22之间存在功能亘余。进一步的转录组数据分析显示，bbx202122与hy5中的差异表达基因出现很大比例的重叠；此外，bbx202122 hy5突变体中未观察到额外的基因表达差异，表明BBX20-22和HY5在很大程度上相互依赖地调节共同靶标的转录。以上的表型及转录分析结果表明，B-box蛋白符合X因子的要求，是HY5功能的关键调节因子。

BBX20–22 and HY5 interdependently promote photomorphogenesis

该研究进一步通过bbx202122 hy5 hyh原生质体进行了瞬时表达测定揭示了HY5和B-box在转录后水平上的功能依赖性。该研究构建了包含被HY5直接结合和调控的启动子序列的报告基因 (pMYB12-588 :: GUS和pF3H-398 :: GUS)，发现HY5只有与BBX20-22共表达时，才能激活这两种报告基因，表明HY5依赖于B-Box蛋白进行转录调控。此外，该研究还在BBX20和BBX21中鉴定出预测的反式激活结构域，其氨基酸片段的替换降低了B-box-HY5结合启动子的能力。以上表明HY5与启动子区域结合，然后B-box蛋白与HY5结合，从而激活转录调控。此外，HY5 以及BBX20-22在功能上相互依赖而且很大程度上与cop1表型有关。该研究最后还发现，bbx202122仅影响约15％的hy5调节基因，表明除了BBX蛋白外还存在其他HY5辅因子。

综上，该研究证明了BBX20-22是HY5的必需辅助因子并阐明了其作用机制。值得一提的是，该研究提供证据表明主调节因子通过对辅因子的专一依赖性获得其调控植物发育和响应能力的特异性和动态性。

参考文献

【1】Podolec, R. & Ulm, R. Photoreceptor-mediated regulation of the COP1/SPA E3 ubiquitin ligase. Curr. Opin. Plant Biol. 45, 18–25 (2018)

【2】Gangappa, S. N. & Botto, J. F . The multifaceted roles of HY5 in plant growth and development. Mol. Plant 9, 1353–1365 (2016).

【3】Ang, L. H. et al. Molecular interaction between COP1 and HY5 defines a regulatory switch for light control of Arabidopsis development. Mol. Cell 1, 213–222 (1998).

【4】Xu, D. et al. BBX21, an Arabidopsis B-box protein, directly activates HY5 and is targeted by COP1 for 26S proteasome-mediated degradation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 7655–7660 (2016).

【5】Wei, C.-Q. et al. The Arabidopsis B-box protein BZS1/BBX20 interacts with HY5 and mediates strigolactone regulation of photomorphogenesis. J. Genet. Genomics 43, 555–563 (2016).

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0725-0