PNAS | 紫外光受体UVR8的一个新突变，可增强UV-B光形态建成

撰文 | 无言

责编 | 王一

由于固着生长特性，植物进化出对复杂的外周环境信号的感受及传递机制，并实现有关信号在体内的微调，从而确保完成生命周期。光照对植物的生长发育不可或缺，而植物也形成了一套光受体系统来接收不同波长的光子。例如，能感受红光/远红光的光敏色素家族 (Phytochromes, PHYA-E) ，感受蓝光的隐花色素 (Cryptochromes, CRY1和CRY2) 和向光素 (Phototropins, PHOT1和PHOT2) 以及感受紫外光 (UV-B) 的UVR8 【1,2】 。光敏色素，隐花色素和UVR8光信号途径又能汇合在一起，并通过COP1-SPA E3泛素连接酶复合体降解光形态建成促进因子来实现光信号的传导及调控 【3,4】 。正是这些光受体的协同作用，植物才能在大到整个季节性生长周期，小到每天昼夜交替的不同日照水平，以及不同生长环境所造成的光照条件下做出正确的感应并通过体内的调控机制做出利于植物生长发育的响应。

紫外光 (UV-B) 波长在可见光范围之外，植物可通过受体UVR8蛋白的一些特定的色氨酸 (tryptophan) 残基来吸收UV-B光子，而其中以第285位的色氨酸 (W285) 最为重要。正常条件下，UVR-8在植物体内以非活性的同源二聚体 (homodimer) 形态存在，但当其吸收UV-B光子后，二聚体的稳定性被打破，导致其产生可与COP1相互作用的活性单体，并抑制COP1的活性，从而引起下游的基因表达调控 【5，6】 。RUP1和RUP2蛋白可通过对UVR8的重新二聚体化 (Redimerization) 来调控活性与非活性UVR8的相对含量 【7】 。

解析UVR8的功能一直是近年来的研究热点，而研究关键氨基酸的特定功能对理解UVR8的作用方式及调控机制至关重要。许多研究通过定点突变的方法研究了每个色氨酸残基的功能。例如UVR8 W285A 表现出与COP1的组成型相互作用，并对UV-B的激活不敏感 【1】 。

近日，来自瑞士日内瓦大学的Roman Ulm教授课题组在PNAS上发表了题为A constitutively monomeric UVR8 photoreceptor confers enhanced UV-B photomorphogenesis的研究论文，报道了一个新的名为uvr8-17D的UVR8蛋白G101S突变，该突变蛋白在植物体内主要以单体形态存在，并需要UV-B的激活；无法正常重新二聚体化，因此具有组成型的UVR8活型，表现出对UV-B超敏感响应。通过对该突变与已知突变UVR8 W285A 的组合，新的UVR8 G101S,W285A 变异体表现出极强的不依赖于UV-B的组成型光形态建成表型。该研究进一步解析了UVR8的功能，并为通过改造光受体来实现对光信号的调节提供了重要基础。

该研究首先以拟南芥Col-0生态型的EMS突变群体为材料，筛选到一个对UV-B响应增强并且RUP2基因没有发生突变的突变体 (rup2突变可抑制UVR8重二聚体化并导致对UV-B响应增强) 。通过对该突变体分析发现，该突变位于UVR8基因，导致蛋白G101S变异，该突变命名为uvr8-17D。UVR8 G101S 的蛋白在uvr8-17D突变体中丰度与野生型植株中的UVR8蛋白丰度大致相当，但是uvr8-17D突变体却表现出与UVR8基因过表达植株 (UVR8-OX) 相似的光形态建成增强表型。在UV-B处理时，下胚轴缩短，花青素含量增高。但该表型在暗生长的uvr8-17D幼苗中与野生型相比并无区别，说明该突变体本身没有组成型表型，其增强的光形态建成表型仍需要UV-B的激活。

该研究还发现UVR8G101S突变能增强经过UV-B驯化适应的植株抗UV-B胁迫能力。为了进一步了解UVR8 G101S 突变会对UVR8蛋白的聚合形态产生的影响，研究人员经过不同的生化方法分析UVR8 G101S 蛋白，发现其在没有UV-B的条件下，UVR8G101S蛋白主要以组成型的单体形态存在。UVR8 G101S 过表达株系在UV-B照射下，花青素急剧积累，而下胚轴即便在没有UV-B光照时，相比野生型和UVR8-OX来说也极大缩短。这表明，UVR8 G101S 过表达可导致极端的UV-B诱导的光形态建成。

UVR8G101S突变对UVR8与COP1相互作用有影响吗？该研究检测到了UVR8 G101S -COP1相互作用，但该相互作用与野生型UVR8-COP1相互作用相比并没有更强。在UV-B条件下，UVR8通过其蛋白C端的的VP结构来抑制COP1的活性 【7】 ，而利用CRISPR编辑技术删除UVR8的C端后，uvr8-17D突变体对UV-B的超敏感表型被抑制。这些结果表明，UVR8 G101S 对COP1的亲和性并没有明显增强，并仍可抑制COP1活性。

研究人员进一步利用W285A突变具有弱组成型活性的特性构建了UVR8 G101S,W285A 突变体。虽然每个单突变体仍能检测到体外水平的二聚体存在，但双突变体即便在体外条件下也完全以单体形态存在。同时，UVR8 G101S,W285A 与COP1的相互作用与COP1–UVR8 G101S 或COP1–UVR8 W285A 之间的相互作用相比极大增强。利用诱导型启动子构建的UVR8 G101S,W285A 过表达植株即便在黑暗条件下也具有极端的光形态建成表型。通过结构生物学分析表明，G101S突变造成一个畸变的环状区域，该区域对于UVR8二聚体的稳定起重要作用，因此该突变可能使UVR8二聚体的稳定性降低，进而使其主要以单体形态存在。通过对rup1, rup2和UVR8 G101S 突变体的遗传及生化分析表明，rup1, rup2突变并没有使UVR8 G101S 突变体响应UV-B的表型进一步增强，反而与RUP1和RUP2基因功能正常的野生型相比，UVR8 G101S 突变体响应UV-B的表型极大增强，表明该突变体活性的增强是由于抑制了RUP1和RUP2参与的重二聚体化过程。

uvr8-17D突变介导的紫外光感受及调控模型

总的来说，该研究鉴定到一个新的UV-B受体蛋白UVR8的突变体，并利用遗传及生化分析解释了该受体蛋白的精细功能。通过与之前报道的突变相结合的策略，构建了不依赖于UV-B的超敏感的光形态建成突变体，对今后研究或应用该蛋白提供了重要基础。

该文章的通讯作者是瑞士日内瓦大学的Roman Ulm教授，Ulm教授长期从事植物紫外光UV-B信号转导的研究，发表过众多有影响力的文章，包括在Science杂志发文报道了首个UV-B受体UVR8 【1】 。

参考文献

【1】L. Rizzini et al., (2011) Perception of UV-B by the Arabidopsis UVR8 protein. Science 332, 103–106.

【2】E. Demarsy, M. Goldschmidt-Clermont, R. Ulm, (2018) Coping with ‘dark sides of the sun’ through photoreceptor signaling. Trends Plant Sci. 23, 260–271.

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

【4】 U. Hoecker, (2017) The activities of the E3 ubiquitin ligase COP1/SPA, a key repressor in light signaling. Curr. Opin. Plant Biol. 37, 63–69.

【5】K. Lau, R. Podolec, R. Chappuis, R. Ulm, M. Hothorn, (2019) Plant photoreceptors and their signaling components compete for COP1 binding via VP peptide motifs. EMBO J. 38,

e102140.

【6】X. Huang et al., (2013) Conversion from CUL4-based COP1-SPA E3 apparatus to UVR8-COP1-SPA complexes underlies a distinct biochemical function of COP1 under UV-B. Proc.

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 16669–16674.

【7】M. Heijde, R. Ulm, (2013) Reversion of the Arabidopsis UV-B photoreceptor UVR8 to the

homodimeric ground state. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 1113–1118.

https://www.pnas.org/content/118/6/e2017284118