Nature Plants | 中国农业大学李继刚课题组揭示远红光受体phyA的蛋白磷酸化机制

责编 | 王一

2024年5月7日，中国农业大学生物学院/植物抗逆高效全国重点实验室李继刚课题组在Nature Plants在线发表题为Liquid-liquid phase separation of TZP promotes PPK-mediated phosphorylation of the phytochrome A photoreceptor的研究论文。该研究证明蛋白激酶PPKs能够直接磷酸化植物的远红光受体phyA，并揭示TZP通过液-液相分离促进phyA和PPKs的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA磷酸化的分子机制。

增加种植密度是提高作物产量的有效途径，但是在高密度种植条件下植株叶片相互遮挡，使遮荫环境中富含远红光，诱发植物产生避荫反应，表现为叶柄伸长、开花提前等 (Han et al., 2024)。避荫反应是植物在竞争有限光照的逆境下产生的适应性反应，但是会对农作物产量产生负面影响。光敏色素A (phytochrome A, phyA) 是植物唯一能在远红光下起始光信号转导的光受体 (Li et al., 2011)。深入解析phyA信号感知和传递的分子机制，不但有助于深刻理解光信号调控网络，还为作物耐密植分子设计育种提供理论指导。

四十多年前，人们就发现燕麦phyA在体内能够被磷酸化 (Quail et al., 1978; Hunt and Pratt, 1980)，但是至今仍未鉴定出能够特异磷酸化phyA的蛋白激酶。2018年，李继刚课题组在拟南芥中鉴定到远红光信号传递的新组分TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3(TZP)，发现TZP能够与phyA相互作用并且调控phyA在植物体内的蛋白磷酸化 (Zhang et al., 2018)。进一步研究表明，磷酸化的phyA可能是活性更强的形式，在远红光信号转导中发挥重要功能 (Zhang et al., 2018; Zhou et al., 2018)。但是TZP自身并没有激酶结构域，其如何调控phyA在体内的磷酸化，目前并不清楚。

该研究首先提出TZP可能会招募某类蛋白激酶来磷酸化phyA的假设。为了验证这一猜想，首先通过酵母双杂交实验鉴定到能够与TZP直接相互作用的蛋白激酶PHOTOREGULATORY PROTEIN KINASES(PPKs，也被称作MUT9-LIKE KINASES)。该蛋白激酶家族包括四个成员 (PPK1−PPK4)，但是迄今并没有PPKs参与调控植物远红光信号转导的相关报道。有趣的是，在ppks突变体中phyA的磷酸化条带消失，表明PPKs介导phyA在体内的磷酸化。进一步的生化实验证明PPKs能够与phyA直接互作，并且在体外、体内磷酸化phyA。表型分析结果显示ppks突变体对远红光的响应有明显缺陷，表明PPKs确实是远红光信号转导的重要调控因子。

随后，研究人员进一步探究了TZP如何介导PPKs对phyA的蛋白磷酸化。值得注意的是，TZP的N端含有两个内在无序区 (intrinsically disordered regions, IDRs)。近年的研究表明，IDRs作为能发生液-液相分离 (liquid-liquid phase separation) 蛋白常见的结构域，介导相分离和生物分子凝聚体的形成 (Xu et al., 2021)。而TZP在植物照射远红光后能够在体内形成核内小体 (nuclear bodies, NBs)，暗示TZP NBs可能具有液-液相分离属性。有趣的是，远红光无法在phyA突变体背景中诱导TZP NBs的形成，表明TZP NBs的形成依赖phyA，在远红光信号转导中可能具有生物学功能。随后，该研究证明TZP在体内、体外确实能够发生液-液相分离，并且两个IDRs都是TZP液-液相分离所必需的。

那么，TZP液-液相分离与PPKs磷酸化phyA之间有什么关联呢？免疫共沉淀实验结果表明，TZP能够促进phyA和PPK1的相互作用。而激光共聚焦显微镜观察结果显示，在植物细胞中共表达PPKs和phyA时，它们在细胞核中只形成较小的NBs且不能共定位，而同时表达TZP后，PPKs和phyA均共定位于TZP形成的较大NBs中。最后，该研究把TZP的IDRs替换为人FUS蛋白的IDR结构域，结果显示该人工TZP能够与野生型TZP一样完全回补tzp突变体在远红光下长下胚轴的表型，而缺失IDRs的TZP则不能完全回补tzp突变体表型，表明TZP IDRs驱动的液-液相分离是TZP行使正常功能所必需的。

综上，TZP通过将PPKs和phyA招募到其液-液相分离形成的NBs中，促进它们的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA的磷酸化 (图1)。该研究鉴定到第一类能够磷酸化phyA的蛋白激酶PPKs，并且阐明TZP通过液-液相分离促进PPKs磷酸化phyA的分子机制，为进一步深入解析远红光信号途径以及光信号调控网络提供了新的见解。

图1. 远红光下TZP的液-液相分离促进PPKs磷酸化phyA的工作模型。在远红光下，phyA在FHY1协助下进入细胞核后与TZP和PPKs均相互作用，PPKs能够直接磷酸化phyA和TZP。远红光诱导TZP发生液-液相分离，将PPKs和phyA招募到其液-液相分离形成的NBs中，促进它们的共定位和相互作用，从而增强PPKs对phyA的磷酸化。磷酸化的phyA可能是活性更强的形式，在远红光信号转导中发挥重要功能，也是COP1/SPAs E3泛素连接酶复合体优先降解的底物。

李继刚课题组博士后冯子懿和博士生王美娇为该论文的共同第一作者，李继刚教授为通讯作者。北京大学邓兴旺教授和钱伟强研究员、中国农业大学郭岩教授和田丰教授、清华大学方晓峰教授以及南京师范大学钟伯坚教授也合作参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的经费支持，冯子懿博士得到了中国农业大学长周期基础研究博士后政策支持。

参考文献：

Han, R., Ma, L., Terzaghi, W., Guo, Y. & Li, J. Molecular mechanisms underlying coordinated responses of plants to shade and environmental stresses. Plant J. 117, 1893–1913 (2024).

Hunt, R. E. & Pratt, L. H. Partial characterization of undegraded oat phytochrome. Biochemistry 19, 390–394 (1980).

Li, J., Li, G., Wang, H. & Deng, X.W. Phytochrome signaling mechanisms. Arabidopsis Book 9, e0148 (2011).

Quail, P. H., Briggs, W. R. & Pratt, L. H. In vivo phosphorylation of phytochrome. Carnegie Institution Annual Report, Department of Plant Biology, Carnegie Institution of Washington Stanford, CA 342–344 (1978).

Xu, X., Zheng, C., Lu, D., Song, C.P., & Zhang, L. Phase separation in plants: New insights into cellular compartmentalization. J. Integr. Plant Biol. 63, 1835–1855 (2021).

Zhang, S. et al. TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3 is a key component of phytochrome A signaling. Plant Cell 30, 835–852 (2018).

Zhou, Y. et al. Hinge region of Arabidopsis phyA plays an important role in regulating phyA function. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, 11864–11873 (2018).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01679-y