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植物的隐花色素及其光信号转导



全 文 :植物生理学通讯 第41卷 第6期,2005年12月 841
植物的隐花色素及其光信号转导
闫海 周波 李玉花*
东北林业大学花卉生物工程研究所,哈尔滨150040
Plant Cryptochrome and Its Light Signal Transduction
YAN Hai, ZHOU Bo, LI Yu-Hua*
Research Institute of Flower Biotechnology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
提要 介绍了近年来植物隐花色素介导的光信号转导分子机制的研究进展。
关键词 蓝光受体;隐花色素;光信号转导
收稿 2004-12-28 修定  2005-08-01
资助 国家自然科学基金(30170785)。
*通讯作者(E-mail: lyhshen@mail.hl.cn, Tel: 0451-
82191783)。
1 隐花色素和蓝光形态建成
蓝光影响植物生长和发育,植物的蓝光反应
包括抑制下胚轴伸长、刺激子叶扩展、调节开花
时间、向光性弯曲、气孔开放、引导昼夜节律
时钟和调节基因表达[1]。
高等植物具有极其精细的光感受系统和信号
转换系统,以监视光信号的方向、能量和光质,
并调节其生长发育[2]。光受体可分为 4 种类型:
光敏色素(phytochrome)、隐花色素(cryptochrome)、
趋光素(phototropin)和超级色素(superchrome)。其
中,隐花色素和趋光素都能吸收蓝光,属于蓝光
受体[3]。
隐花色素是一类吸收蓝光(400~500 nm)和近紫
外光(320~400 nm)的光受体,具有调节植物形态
建成、新陈代谢变化及向光性反应的功能,在蓝
紫光区有3个吸收峰(通常在450、420 和 480 nm
左右) ,在近紫外光区有 1 个吸收峰( 通常在
370~380 nm),大于 500 nm 波长的光是无效的。
不同植物对蓝光效应的作用光谱稍有差异[4]。要
判定一个光调控反应是否包含蓝光受体(隐花色素)
参与的实验标准是:作用光谱在370 nm 附近有 1
个峰,400~500 nm 之间有 3 个峰[5]。
2 隐花色素的作用机制
植物中的许多生理生化过程表现出以24 h为
周期的内源节律,它受到称作昼夜节律时钟的内
源振荡器的调控。昼夜节律时钟通过专一性刺激
与周期性环境变化同步,最重要的周期性环境变
化是光[6]。在黎明和黄昏,昼夜节律时钟被光信
号导引产生昼和夜的日常周期[7]。光敏色素和隐
花色素通过将光信号转导至中心振荡器参与设置时
钟[6]。现已证明,光敏色素 PH Y A 和隐花色素
CRY1、CRY2 充当蓝光输入时钟的光受体。CRY1
和CRY2在拟南芥中并不像在哺乳动物中一样形成
时钟的一部分,它们在蓝光输入时钟时有冗余作
用。CRY1 在红光和蓝光中与 PHY A 一道将信号
传递给时钟[7]。Ahmad 等[8]证明 PHY A 在体外与
CRY1 和 CRY2 直接相互作用,PHY A 调节 CRY1
依赖红光的磷酸化,而隐花色素在红光中参与
PHY A 信号传递不需要光激活[9]。PHY A 在这一
相互作用中充当光受体,CRY1 和 CRY2 单纯充当
信号转导组分。cry1单基因突变体和cry1cry2双
突变体响应红光,表明 CRY1 和 CRY 2 充当 PHY
A 的下游信号转导组分。光敏色素和隐花色素在
光下都定位于核中[10~13],表明 PHY A 和隐花色素
的相互作用发生在核中。PHY A 也与核蛋白 PIF3
(phytochrome-interacting factor 3)相互作用[14],表
明光敏色素和隐花色素可能在核中形成较大的信号
传递复合物的一部分。
隐花色素经历一个影响其形成、分子间相互
作用、生理活性和光受体蛋白丰度的依光磷酸
化[15]。自动磷酸化发生在丝氨酸残基上[16]。隐花
色素可能通过某种分离的细胞机制传递信号,然
后会聚在一起调控HY5 (hypocotyl 5)转录激活因
子的丰度。隐花色素抑制 HY5 蛋白的降解,导致
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HY5 水平的增加,以促进包含 G-box 的光形态建
成重要基因的转录[17]。Cryptochrome-COP1 (con-
stitutive photomorphogenic 1)系统可能对大量转录
调节因子的丰度进行蛋白水解调控[18]。
3 隐花色素诱导的信号转导
植物体内的信号传递不是单通道进行的,而
是某一信号可能影响着下游的很多因子,同时也
受其他转导物质的影响,互相交织形成一个信号
传递的网络。
3.1 隐花色素上游信号转导 隐花色素的主要光反
应是一个涉及电子转移的氧化-还原反应。这一模
式在很大程度上基于已知的光裂合酶机制。
Cashmore等[10]认为隐花色素的原初反应可能与光
裂合酶类似,证实隐花色素的黄素蛋白与邻近的
信号分子或隐花色素的一部分蛋白质之间发生了电
子的转移,从而引起光受体构象的改变,进一步
导致生化性质的修饰,从而产生更多的信号。隐
花色素传递的光信号最终将会改变信号转导蛋白因
子在亚细胞的定位或改变离子平衡、基因表达和
细胞的活性,从而导致植物对隐花色素的原初反
应[19]。
光受体的调控效应可以受其它光受体的活性
强烈影响[20]。这些相互作用取决于光、温度和发
育时期。缺失 PHY A、PHY B 和 CRY1 的突变
体的获得在很大程度上改进了分析光受体之间相互
作用的工具,特别是可以研究光敏色素和隐花色
素家族专一成员的功能[21]。隐花色素发挥功能需
要光敏色素的存在,因为一些光敏色素突变体在
蓝光或绿光下是非光形态建成的。CRY 蛋白可以
在离体条件下被PHY A的蛋白激酶活性磷酸化。而
且,PHY B 和 CRY2 在植物提取液中相互作用[13]。
cry2cry1双突变体可用于进一步研究隐花色素在开
花诱导中的功能。cry2cry1双突变体在单色蓝光
照射下表现为开花延迟,但单基因cry1或cry2突
变体在蓝光下都不表现为开花延迟。这一结果表
明 CRY2 除了依赖 PHYB 起作用外,也与 CRY1 冗
余作用以独立于PHY B的方式促进开花的起始[22]。
光量子的吸收可以引发隐花色素与其它蛋白
质的蛋白质-蛋白质之间的相互作用[9,13,23,24]。隐花
色素和基因表达的变化之间存在着相对较短的转导
链。现已发现了调节幼苗去黄化反应的 CRY1 信
号传递中间物,还鉴定了 3 个新的 CRY 信号传递
基因座:HFR1 (long hypocotyl in far-red 1)、SUB1
(short under blue light)和PP7 (ser/thr protein phos-
phatase 7)。HFR1编码一个基本的螺旋-环-螺旋
转录因子,它有可能充当 CRY1 和 PHY A 光形态
建成下游的正调节因子,其功能仍不清楚[2 5 ]。
SUB1编码一个Ca2+ 结合蛋白,有可能充当光环境
下 HY5 积累的阻遏物[26],在 CRY 和 PHY A 的信
号传递途径中起作用。虽然SUB1的精确作用机制
现今仍不清楚,但是 CRY 可以直接与 COP1 相互
作用并阻遏 COP1 以促进 HY5 的代谢,表明 SUB1
可能充当一个“变阻器”以微调依赖 CRY 的 HY5
和其他 COP1 靶因子的积累。PP7 编码一个 Ser/
Thr 蛋白磷酸酶,与果蝇 C 磷酸酶有高度序列同
源性,可能充当 C R Y 信号传递的专一正调节因
子[27]。Moller等[27]提出PP7可能调控一个核信号
中间物的功能以进一步调控隐花色素下游的信号传
递[28]。
3.2 隐花色素下游信号转导 研究表明,CRY1和
CRY2羧基末端部分的过量表达诱导一个组成型的
但仍需光敏色素参与的光形态建成。与cop1类似
的表型表明,在起抑制作用的氨基末端功能域缺
失的情况下,隐花色素羧基末端具有组成型活
性[23]。暗中 CRY1 和 CRY2 在细胞核内与 COP1 相
互作用[24,29 ]。因此认为,CRY 感知蓝光可引起
COP1 的快速钝化或降解,于是 HY5 在核中积累,
从而增强了靶基因的转录。这一见解强调 CRY 有
调控蛋白水解的作用[30]。
研究拟南芥CRY1 和 CRY2 的结果支持了细胞
内氧化-还原模型[29]。暗中表达CCT (cry carboxyl
terminal)融合 GUS的 CRY1和 CRY2的转基因拟南
芥植株表现为组成型光形态建成反应[23]。这一表
型可能是 C C T 与 C O P 1 的直接相互作用而抑制
COP1 的活性[24,29]。CRY 的 C 末端域与 COP1 蛋白
之间的相互作用,从另一个侧面反映了拟南芥光
信号传递的起始步骤,以及蓝光受体 CRY 与光形
态建成负调控因子 COP1 之间的联系[29]。
CRY 与 COP1 的相互作用本身不足以使 COP1
钝化[24,29]。在野生型植株中,COP1 的钝化需要
CRY 的羧基末端 CCT 与 COP1 结合并产生一个依
光的变化。Yang 等[29]提出 CRY 通过光激活的PHR
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(photolyase-related)和CCT之间的分子内氧化-还
原反应参与 COP1 的钝化。有实验显示,PHR 域
起阻遏 CCT 域的作用,并且一个组成型依光的变
化解除了这一阻遏作用[28]。
拟南芥 COP1 在暗中充当光形态建成抑制因
子的作用,光刺激可解除抑制,降低 COP1 蛋白
在细胞核内的丰度。COP1 有 3 个已知的结构组
件:一个 N 末端锌指结合域、一个卷曲螺旋域和
一个C末端的WD-40 重复(图 1)[31]。COP1 主要作
为一个同型二聚体起作用,通过卷曲螺旋域形成
二聚体。锌指结合域和卷曲螺旋域独立调节
COP1 的光控核质分化。含有完整 WD-40 重复的
COP1 突变体蛋白能抑制光形态建成,表明C末端
WD-40 域充当独立的抑制组件。COP1 与正调节
光形态建成的 b Z I P 转录因子直接相互作用。
COP1 的自我聚合是其 WD-40 重复与 HY5 相互作
用的先决条件。COP1 充当一个分子开关[31],通
过控制转录因子的降解和其靶基因的表达起光形态
建成抑制因子的作用[32]。
COP1活性和 HY5水平的光调控是复杂的,其
中一点就是 COP1 在核质间的运动。在暗中,光
形态建成受到抑制,COP1 存在于核中,HY5 被
降解;在光下,COP1 在核中水平下降,HY5 水
平增加,促进光调控基因的转录(图 2)[33]。
C O P 1 在暗生长植物中与 C O P 1 0 复合物、
CIP8 (cop1 interacting protein 8)、CSN(COP9
signalosome)、隐花色素(CRY)和 bZIP 转录因子
HY5 相互作用。COP1-HY5 相互作用导致 HY5 的
降解。至少存在两种依光机制使 HY5 稳定并且促
进 HY5 靶基因的转录:(1)白光诱导 COP1 从核向
细胞质运动; (2)蓝光使COP1以一种依赖CRY的方
式起作用。
COP1调控的另一点已通过对光受体蛋白的研
究得到揭示。CRY 蛋白羧基末端片段的过量表达
导致COP 突变体表型,表明 CRY 光受体可能负调
控 COP1 的功能,CRY1 和 CRY2 都通过羧基末端
域与 COP1 结合。另外,CRY1 和 CRY2 末端 CCT
图2 COP1活性的依光调节[33]
图1 光下COP1的工作模型[31]
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的过量表达导致HY5的稳定存在和COP1活性的降
低[33]。
光负调控COP1在细胞核中的水平,允许HY5
积累。HY5 与一个复合物专一作用,并且以两种
异构体的形式存在,通过其受光调控的激酶活性
在其COP1 结合域内产生磷酸化。未磷酸化的HY5
与 COP1 强烈相互作用,是降解的偏好底物,同
时还与靶启动子有高度亲和性,比磷酸化形式更
具生理活性。HY5 磷酸化使 HY5 稳定性和活性增
加,提高了核 COP1 的丰度。光控 HY5 磷酸化不
但提供了光下更具生理活性的非磷酸化 HY5,也
帮助维持暗中低活性的磷酸化 HY5 库,此库是暗
中向光下转变的快速初始反应所必需的[34]。
其它分子机制在CRY1 和 CRY2 调控的信号传
递过程中也起作用。微阵列试验表明,蓝光调控
几乎与红光一样多的基因转录。最近,对蓝光信
号转导的研究主要集中在调控转录因子 HY5 上,
其它信号传递因子的参与研究得还不是很清楚。
许多试验表明,可能存在 HY5 关键调控转录因子
以外的因子,例如 HY5 HOMOLOGUE (HYH),
也参与调节这一过程。遗传分析表明,HYH 主要
参与蓝光调控发育和基因表达,H Y H 的功能与
HY 5 部分重叠。HY H 蛋白的积累依赖 HY5 的存
在。HYH 和 HY5 能分别形成异源二聚体和同源二
聚体,不仅调节不同靶基因的光控表达,也调节
重叠靶基因的光控表达。COP1 通过核中大量光
形态建成促进转录因子的靶向降解调节光控基因表
达[35]。
4 隐花色素的分子结构和基因表达
4.1 Òþ»¨É«ËصķÖ×ӽṹ CRY/光裂合酶家族的
所有成员有一个与氨基末端光裂合酶相关的
(photolyase-related, PHR)功能域,负责与发色团结
合并具有吸收光的能力。CRY 不具有 DNA 修复活
性[36]。隐花色素 PHR 功能域后有一个羧基末端
(CCT末端,cry carboxyl terminal)延伸,光裂合
酶则无[10]。隐花色素之间CCT 末端序列同源性很
小,含有 3 个可识别的基序:(1)接近 CCT 氨基
末端的 DQXVP;(2)包含数量变化的氨基酸残基
的区域;(3)羧基末端的STAES。包含这 3个基序
的隐花色素 C 末端延伸区域称为 DAS (DQXVP-
acidic-STAES)域。拟南芥CRY1和 CRY2具有 DAS
域(图3)[15,19] 。CCT作为蛋白-蛋白作用域可将CRY
激活状态信号传导给下游因子[28]。
4.2 隐花色素基因家族 蓝光受体的隐花色素家族
调控植物发育的各个方面,最明显的是幼苗的去
黄化反应,引导昼夜节律时钟和调节对日长敏感
的开花时间[15]。隐花色素还可能调控离子通道活
性和基因表达的变化[1]。隐花色素首先在拟南芥
中得到鉴定。分离得到的一些拟南芥光形态建成
突变体中的hy4有削弱对蓝光依赖的下胚轴伸长的
作用,在蓝光下生长时产生长下胚轴。HY4 基因
(后来重新命名为CRY1)的 DNA 序列有一个由681
残基组成的开放读码框[1]。1993 年,Ahmad 和
Cashmore[37]发表了蓝光受体隐花色素1 (crypto-
chrome 1, CRY1)的序列。到目前为止,在拟南
芥中已鉴定出隐花色素家族的两个成员:C R Y 1
和 CRY2[37,38]。
4.3 隐花色素基因表达的特点 CRY1是一个在暗
中和光下生长的拟南芥幼苗和成熟植株的不同器官
中都表达的可溶性蛋白。它调节一个抑制植物生
长的依光的过程,例如转基因拟南芥植株中
CRY1 的过量表达可抑制下胚轴伸长,表现为对
蓝光、UV-A 和绿光高度敏感;过量表达 CRY1 的
转基因植株呈现矮化表型。另外,过量表达
CRY1 的转基因植株响应蓝光、UV-A 和绿光诱导
的花色素苷积累,表明蓝光诱导 CHS 基因表达。
CRY1除了对植物生长起作用外,还是一个调节依
赖蓝光的基因表达调控的光受体[39]。CRY1 蛋白
的信号转导机制在不同植物种中是保守的[40]。
CRY2 经历一个依赖蓝光的磷酸化,CRY2 的
磷酸化与它的功能和调控相关。暗中,CRY2 未
被磷酸化,不具活性,稳定;而蓝光诱导 CRY2
的磷酸化,可引发光形态建成反应,最终光受体
发生降解[41]。CRY2在 C末端区包含一个核定位信
号(nuclear localization signal, NLS)。GFP荧光定
图3 隐花色素的结构域[19]
  PHR (photolyase-related)表示光裂合酶相关的结构域,
DAS(DQXVP-acidic-STAES)表示含有这 3 种基序的结构域。
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位表明 CRY2 定位于核中,核定位受 CRY2 的 C 末
端区域的调节[42]。
CRY1 和 CRY2 的生理功能在某种程度上可能
有重叠,例如,CRY1 和 CRY 2 都调节抑制下胚
轴伸长和诱导花色素苷合成[38,43]。而且,功能分
析表明,CRY1 和 CRY 2 的 N 末端域或 C 末端域
是可互换的[44]。除了它们的共同功能外,拟南芥
的两种 C R Y 蛋白也有显著不同的功能。例如,
CRY1 主要调节抑制下胚轴伸长[1]和蓝光引导昼夜
节律时钟[45],而 CRY2 主要调节子叶扩展和控制
开花时间[38,46]。CRY 1 大多在地上组织中表达,
CRY2 在叶原基、根尖和子叶中活性较高[6]。CRY1
和 CRY2 蛋白具有不同的稳定性:CRY2 在绿光、
蓝光和 UV 下迅速降解,CRY1 则不易降解[44]。
5 结语
当前,国内外研究者们正在致力于寻找蓝光
信号转导途径中的重要组分或关键调节基因,研
究它们与转录因子复合物的作用。此外,不同光
受体之间也存在相互作用,例如隐花色素与光敏
色素一道参加控制生物节律性,它们究竟如何起
作用还需进一步的研究。目前的研究大多集中在
细胞核中隐花色素如何通过转录因子起作用,而
对细胞质中隐花色素在接受蓝光信号后如何进行信
号转导的研究还较少。隐花色素可能也是转录调
节复合体的一部分,它们也可能通过与 D N A 或
DNA-蛋白质复合物的直接相互作用介导蓝光信号
转导,最新的研究结果支持这些假设。虽然认识
隐花色素从蓝光感受到转录发生的信号传递步骤方
面有了很大进步,但还不能将这些步骤组成一个
完整的途径。今后的研究将有助于人们更加清楚
地了解隐花色素信号转导是怎样与不同的信号传递
途径和细胞活动相互作用,最终引起植物生长发
育改变,从而阐明隐花色素信号转导的网络和转
导的机制。
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