植物燈進階教學: 植物中的光感受器從紫外線到遠紅光

許多文明，包括古埃及的太陽神，都認為陽光的祝福是生命之源。事實上，包括人類在內的所有生命的生存都離不開植物的光合作用，這些植物可以捕獲太陽能。進行光合作用的植物除了一些藻類外沒有交通工具。因此，需要監測外部環境的各種變化，對生存場所做出適當的反應。在各種環境信息中，光對於進行光合作用的植物來說是特別重要的信息。

植物在進化過程中獲得了光敏色素，主要接受紅光區域的光，以及多種藍光受體，包括光敏色素和光敏素，以感知光環境。..除此之外，最近還發現了一種名為 UVR8 的紫外線受體。在本文中，我們解釋了這些不同植物光感受器的分子結構和功能的最新圖像（圖 1），重點是光敏色素和光敏素。

光敏色素是光致變色感光體，具有紅光吸收型Pr（吸收最大波長約665nm）和遠紅光吸收型Pfr（730nm）兩種吸收型。分別通過紅光和遠紅光在兩者之間進行可逆光轉換（圖1A，實線和虛線）。一般來說，Pfr 是引起生理反應的活性形式。除了一些例外，光敏色素可以說是一種光可逆分子開關。發現背景如下。有些類型的植物需要光照才能發芽（光種子發芽）。從那項研究中發現，發芽是由紅光誘導的，隨後的遠紅光照射會抑制這種效果，並且可以重複，並且預測了可逆光轉換的感光器的存在。1959年，通過黃芽組織的吸收光譜測量證實了它的存在，並命名為光敏色素。為什麼植物有傳感器來區分這种红光和遠紅光？在陽光的開闊場光譜中，紅光和遠紅光區域之間沒有太大區別，但由於葉綠體在植物樹蔭下的吸收，紅光的比例大大降低。類似的光質量變化發生在傍晚的陽光下。植物將這種光質差異感知為 Pr 和 Pfr 的比值，識別光環境並對其做出反應。它被命名為光敏色素。為什麼植物有傳感器來區分這种红光和遠紅光？在陽光的開闊場光譜中，紅光和遠紅光區域之間沒有太大區別，但由於葉綠體在植物樹蔭下的吸收，紅光的比例大大降低。類似的光質量變化發生在傍晚的陽光下。植物將這種光質差異感知為 Pr 和 Pfr 的比值，識別光環境並對其做出反應。它被命名為光敏色素。為什麼植物有傳感器來區分這种红光和遠紅光？在陽光的開闊場光譜中，紅光和遠紅光區域之間沒有太大區別，但由於葉綠體在植物樹蔭下的吸收，紅光的比例大大降低。類似的光質量變化發生在傍晚的陽光下。植物將這種光質差異感知為 Pr 和 Pfr 的比值，識別光環境並對其做出反應。但由於植物在樹蔭下吸收葉綠體，紅光的比例大大降低。類似的光質量變化發生在傍晚的陽光下。植物將這種光質差異感知為 Pr 和 Pfr 的比值，識別光環境並對其做出反應。但由於植物在樹蔭下吸收葉綠體，紅光的比例大大降低。類似的光質量變化發生在傍晚的陽光下。植物將這種光質差異感知為 Pr 和 Pfr 的比值，識別光環境並對其做出反應。

隨後的研究表明，它負責各種光形態發生反應，例如光週期開花誘導、避光和脫黃（綠化）。此外，隨著模式植物擬南芥（At）的引入和分子生物學分析方法的發展，研究取得了長足的進步，其五種光敏色素（phyA-E）均存在於擬南芥中。好的。隨著基因組計劃的進展，Fi的類tochrome光感受器在藍藻中被發現，藍藻是一種除植物外的光合作用原核生物。此外，在非光合細菌中，在銅綠假單胞菌 (Pa) 和抗輻射細菌 (Deinococcus radiodurans, Dr) 中發現了一種稱為細菌光合色素光感受器 (BphP) 的同源分子。

光敏色素分子大致可分為N端側區和C端側區。PAS（Per/Arndt/Sim：藍色）、GAF（cGMP磷酸二酯酶/腺苷酸環化酶/FhlA：綠色）、PHY（phyto-chrome：紫色）3植物光敏色素的N端區域（圖2A）有兩種結構域和 N 末端延伸區（NTE：深藍色），以及作為開環四吡咯之一的植物色素 (PΦB) 與作為髮色團存儲在 GAF 中的系統硫醚鍵合。ing。PAS是參與信號轉導相關蛋白相互作用的結構域，PHY是光敏色素特異性結構域。在 C 末端區域有兩個 PAS 和她的組氨酸激酶相關 (HKR) 結構域（紅色），但激酶活性所必需的組氨酸不是保守的。

另一方面，在藍藻集胞藻（Syn）的 Cph1（圖 2B）中，其 N 端區域類似於植物光敏色素，具有比 PΦB 更短的 π 電子共軛系統的​​藻藍膽蛋白與 GAF 半胱氨酸結合。 . C 末端是組氨酸激酶（HK：紅色）。此外，在 BphP 中，髮色團是膽綠素，它與存在於 PAS N 末端上游的半胱氨酸而不是 GAF 結合（圖 2C）。儘管髮色團及其結合位點不同，但 Cph1 和 BphP 都顯示出 Pr 和 Pfr 之間的可逆光轉換反應，就像植物光敏色素一樣。

圖3A顯示了PΦB的分子結構，B顯示了光反應。通過光激發，Pr 經歷光異構化和隨後的質子轉移反應，類似於其他 π 電子共軛雙鍵視紫紅質和細菌視紫紅質生色團視黃醛。在異構化中，C 環和 D 環之間發生從 15Za 到 15Ea 的反應，隨後發生 C 環氮原子鍵合質子的轉移反應。此外，逆反應中從 Pfr 到 Pr 的光化學途徑與從 Pr 到 Pfr 的途徑不同。此外，除了光反應之外，還會發生從 Pfr 到 Pr 的熱暗回歸反應。雖然光化學反應的可逆性只能在 GAF 中看到，但需要 PAS 和 PHY 來維持 Pr 和 Pfr 的正常吸收光譜。

2005年，第一個晶體結構被解析為缺乏DrBphP的PHY的N端區域的Pr，然後含有PHY的N端區域的晶體結構為Cph1（圖3C），並在PaBphP和其他。有趣的是，儘管 BphP 和 Cph1 中髮色團的結合位置不同，但由 GAF（綠色）中保守的環狀插入氨基酸序列形成的環在 PAS（藍色）中是 N。-上游末端區域中的數十個氨基酸殘基（紅色）穿過形成一個結（圖3C中的箭頭）。這種感光結形成髮色團（黑條模型）耦合口袋的一部分，並被認為與光轉換反應密切相關。解結所需的力為 73 pN，不足以穩定蛋白質結構，根據使用原子力顯微鏡的研究。魔角自旋核磁共振測量結果表明，隨著 Pr 到 Pfr 的光轉化，髮色團周圍的環境從“軟”狀態變為“硬”狀態，而節是髮色團的光異構化。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。魔角自旋核磁共振測量結果表明，隨著 Pr 到 Pfr 的光轉化，髮色團周圍的環境從“軟”狀態變為“硬”狀態，而節是髮色團的光異構化。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。魔角自旋核磁共振測量結果表明，隨著 Pr 到 Pfr 的光轉化，髮色團周圍的環境從“軟”狀態變為“硬”狀態，而節是髮色團的光異構化。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。據報導，隨著 Pr 到 Pfr 的光轉化，髮色團周圍的環境從“軟”狀態變為“硬”狀態，而節是髮色團的光異構化。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。據報導，隨著 Pr 到 Pfr 的光轉化，髮色團周圍的環境從“軟”狀態變為“硬”狀態，而節是髮色團的光異構化。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，它也參與光敏色素的光譜特性，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。認為它在正確引導蛋白質結構變化以準確地進行上述方面發揮作用。GAF 是一個長的 alpha 螺旋（淺綠色），稱為連接螺旋，他連接到 PHY（紫色）。從 PHY 開始，一種稱為舌的結構（橙色）向 GAF 髮色團口袋延伸，這也與光敏色素的光譜特性有關，並在與光轉換相關的結構變化中起主要作用。

由於髮色團的反應，蛋白質部分會發生什麼樣的結構變化？去年，基於他的小角 X 射線散射 (SAXS) 和晶體結構，報導了 DrBphP 的暗態（圖 3D 左）和亮態（同右）結構。據此，DrBphP以平行二聚體的形式存在，從PHY延伸到GAF的舌頭中間部分（棕色部分）在黑暗狀態下形成由兩條β鏈組成的反平行β折疊。，在透明狀態下，它是一個單一的α-螺旋。結果，舌頭的長度縮短了 2.5 Å，PHY 被 GAF 吸引，他是一個二聚體，PHY 呈 Y 形張開。這些變化反映了與 Pr → Pfr 光轉化反應相關的結構變化，並被認為與 HK 的活性控制有關，這是C端的簽名模塊。通過cryo-EM通過單分子測量獲得的全長DrBphP的Pr二聚體圖像顯示了存在於PHY尖端的HK區域接觸並扭曲的結構，並且該結構是通過光反應形成的。我對它如何變化很感興趣。

與 PΦB 結合的植物光敏色素的 N 末端區域顯示出可逆的光轉換並用作光學感覺模塊。有趣的是，在擬南芥 phyB 中，光學感覺模塊已被證明除了感光功能外還具有信號傳導功能。當光轉化為 Pfr 時，位於細胞質中的 Pr 易位至細胞核。在細胞核中，Pfr 與 bHLH 型基因轉錄因子 PIF（光敏色素相互作用因子）等基因轉錄因子結合，並通過泛素-蛋白酶體系統誘導它們的降解。PIF作為參與各種光形態發生反應的蛋白質基因轉錄的抑制子或啟動子發揮作用，PIF的降解或促進通過PIF的降解釋放，導致光形態發生。白點phyB缺陷菌株的功能互補實驗表明，phyB的光學感覺模塊具有信號功能。另一方面，C末端區域具有核定位信號和二聚化位點，被認為起到控制模塊的作用。除了例外，植物光敏色素通常作為同型二聚體發揮作用。可以認為，由於光轉換，在控制模塊中發生了暴露核定位信號的結構變化。

去年報導了擬南芥phyB光學感覺模塊（N端缺少90個氨基酸，C端缺少27個氨基酸）的Pr晶體結構。晶體結構為與DrBphP相似的平行二聚體，具有結狀或β-折疊型舌狀結構。然而，在 DrBphP 的 Pr 中，兩個亞基的 PHY 呈弧形彎曲並顯示出 O 腿形結構（圖 3D 左），而在 phyB 的 Pr 中，PHY 以 II 形延伸和接觸. 這種分子結構的差異可能反映了DrBphP和phyB在信號轉導機制上的不同，前者與HK活性調控結合，後者與PIF結合等。基於 SAXS 的 phyA 二聚體結構，在阿拉斯加豌豆中缺乏 NTE，與上述全長DrBphP二聚體電鏡圖像有較大差異，也反映了兩者在功能上的差異。可能。雖然製備全長晶體可能比較困難，但仍有待闡明植物phy的光感受模塊全長的Pr和Pfr的晶體結構，以闡明植物的光感受器分子機制。

以進化論而聞名的查爾斯·達爾文在 1882 年出版的《植物運動的力量》一書中寫道，植物會向藍光彎曲。大約 100 年後，由擬南芥突變體導致向光異常的致病基因之一編碼的蛋白質 nph1（非向光下胚軸 1）被確定為藍色感光體。後來，又發現了另一種同種型 npl1，並分別更名為 phototropin 1 (phot1) 和 2 (phot2)。除了向光性外，向光素還受到葉綠體光定位的破壞（葉綠體穿過葉片的表皮細胞並在適當的光強度下聚集在細胞表面進行光合作用。作為反應的光感受器，例如在危險的強光下逃到細胞側面）和氣孔（打開氣孔以優化二氧化碳吸收的反應，這是光合作用反應的速率決定過程）。很明顯，它奏效了。這樣，向光素可以說是一種藍光受體，負責優化光合效率。

向光素分子在 N 端側有兩個感光域（LOV1 和 LOV2），稱為 LOV（光-氧-電壓感應），在 C 端側有絲氨酸 /。它是一種形成蘇氨酸激酶 (STK) (圖 4Aa) 的蛋白激酶，其活性受光調節。LOV 是一種髮色團分子，它與 FMN（黃素單核苷酸）非共價結合。LOV 形成 α/β 折疊，FMN 位於由五個反平行 β 鏈組成的 β 折疊上（圖 4B）。基態 LOV 的 FMN 顯示了典型的氧化黃素蛋白的吸收光譜，具有三重振盪結構，最大吸收波長為 450 nm，稱為 D450（圖 1C 和圖 4E）。在被藍光激發到單重激發態後，FMN由於系間交叉而轉變為三重激發態（L660t *），然後FMN的異惡嗪環的C4（圖4C）在附近保守。它與 tain（圖 4B Eα 中的紅色部分）（S390I）形成一個瞬態增生棱柱。當這個半胱氨酸被丙氨酸取代（C/A取代）時，不會發生加成反應。加合物形成的影響傳播到蛋白質部分，導致激酶激活 (S390II)。之後，形成的半胱氨酸-黃素加合物自發解離並返回到原來的 D450（圖 4E，暗回歸反應）。加合物形成的影響傳播到蛋白質部分，導致激酶激活 (S390II)。之後，形成的半胱氨酸-黃素加合物自發解離並返回到原來的 D450（圖 4E，暗回歸反應）。加合物形成的影響傳播到蛋白質部分，導致激酶激活 (S390II)。之後，形成的半胱氨酸-黃素加合物自發解離並返回到原來的 D450（圖 4E，暗回歸反應）。

為什麼向光素有兩個 LOV？Atphot1 被發現是一種在用藍光照射時會迅速自磷酸化的蛋白質。

研究了上述C/A取代對該自磷酸化反應和向光性的影響，發現LOV2是自磷酸化和向光性的主要光分子開關。事實證明，它的功能是。之後，從使用人工底物的實驗來看，STK具有組成型活性，LOV2作為該活性的抑制域，通過光反應消除抑制，而LOV1是激酶光。它被證明可以改變活化反應的光敏性。除此之外，還發現 LOV1 作為晶體結構和他的 SAXS 的二聚位點。LOV2 使用什麼樣的分子機制來光調節激酶活性？以下兩個模塊在這種分子內信號轉導中發揮著重要作用。

Rix (Jα) 存在（圖 4D），它與在黑暗中形成 FMN 結合的 LOV2 支架的 β-折疊（圖 4B）相互作用，但通過光反應展開並從β-折疊解離。NMR表明確實如此。根據 LOV2-Jα 的晶體結構，該 Jα 位於 β 片層的背面，主要具有疏水相互作用。S390II 的形成導致異惡嗪環的扭曲和 N5 的質子化（圖 4C）。

結果，β-折疊中他的Iβ鏈上存在的谷氨酰胺側鏈（圖4B）旋轉以與該質子化的N5形成氫鍵。Jα 與他的 Iβ 鏈相互作用，這些變化被認為導致 Jα 的展開和與上述 β-折疊的解離。諸如 Iβ 鏈的氨基酸取代等實驗表明，當這種相互作用被消除時，激酶表現出組成型活性，並且 Jα 在激酶的光活化中起重要作用。

最近，已經報導了幾個結果，顯示位於 LOV2 N 末端上游的 A'α 螺旋附近的氨基酸（圖 4D）參與激酶光活化。因此，他研究了該 A'α 及其相鄰氨基酸在 Atphot1 的激酶光活化、光反應和 Jα 結構變化中的作用。LOV2-STK 多肽（圖 4D，黑色下劃線）用作激酶活性分析的光控激酶。結果發現，當將氨基酸取代引入LOV2核心的A'α和Aβ之間的A'α/Aβ間隙時，激酶的光活化被消除。有趣的是，由於 LOV2 的光反應或胰蛋白酶降解，他對肽圖上檢查的 Jα 的結構變化沒有影響。所以，

Jα的結構變化已通過NMR以外的各種生物物理方法檢測到，但包括STK在內的樣品的結構信息僅由他的SAXS結果報告。不是。Atphot2 LOV2-STK 多肽的 SAXS 測量顯示慣性半徑從 32.4 Å 增加到 34.8 Å，從頭算建模軟件 GASBOR 獲得的分子模型（圖 4F）是 LOV2 和 STK 的分子模型。結果表明，N葉和C葉串聯排列，光照射下LOV2相對於STK的相對位置偏移了約13 Å。兩者分子模型的差異被認為反映了上述Jα和A'α/Aβ間隙發生的結構變化。

在擬南芥Arabidopsis的向光反應中，擬南芥對10-4到102μmol光子/秒/平方米的非常寬範圍的光強作出反應。那時，phot1 在從弱光到強光的大範圍內都起到光學傳感器的作用，而 phot2 對強於 1 μmol photon/sec/m2 的光起反應。這些差異的根源是什麼？眾所周知，由於視紫紅質的豐度和生化放大機制的存在，動物光感受器具有很高的光敏性。體內 phot1 和 phot2 的確切豐度尚不清楚，但在擴增方面已經獲得了有趣的結果。

研究了上述激酶分析中使用的LOV2-STK多肽的光活化的光強度依賴性。

發現 phot1 的感光性大約是 phot2 的 10 倍。另一方面，當檢查兩者的光化學反應時，發現 phot1 的暗返回反應速率比 phot2 慢約 10 倍。該結果表明處於激酶激活狀態的S390II的壽命越長，激酶激活的光敏性越高。這種相關性通過用氨基酸取代延長她的 S390II 的壽命而得到進一步證實。僅此一項無法解釋 phot1 和 phot2 之間光敏性的廣泛差異，但它可以解釋其中的一些。此外，有必要詳細研究蛋白質修飾，例如磷酸化和光相互作用因子對光敏性的影響。

其他 LOV 光感受器 在蕨類植物和綠藻中，N 端側的光敏色素 ɾ 光感應模塊 (PSM) 和 C 端側具有全長向光素的嵌合光感受器新色素（圖有 4Ab 的類型）。據報導，一些新色素作為紅光接收器在葉綠體光定位中發揮作用。蕨類植物被認為具有這種嵌合光感受器是為了在只有紅光到達的叢林中的灌木叢等棲息地中生存。

除此之外，植物只有一個LOV結構域，而參與光形態發生相關蛋白降解的三種蛋白，FKF1（Flavin-binding，Kelch repeat，F-box 1，ZTL（ZEITLUPE）），LKP2（有LOV Kelch 蛋白 2）（圖 4Ac）和金色素（圖 4Ad），在 LOV 的 N 端側具有 bZip 結構域，並作為基因轉錄因子發揮作用。

隱花色素是藍色光感受器之一，與 DNA 光感受器光解酶形成一個超家族。它具有 FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）作為髮色團和四氫葉酸，這是一種縮合色素。FAD的基態被認為是氧化型，藍光照射產生的自由基型（圖1B中的虛線）被認為是信號態。自由基型還吸收綠色至橙色光區域，並且可以加寬植物形態發生反應光譜的波長區域。隱花色素使用藍光來控制類似於光敏色素的生理功能。

它被鑑定為來自擬南芥 UVR8 致病基因之一的光感受器，髮色團在 UVB 區域被由三個色氨酸組成的色氨酸三聯體吸收（圖 1D）。它參與植物中作為紫外線清除劑的類黃酮和花青素的生物合成。

人們認為植物在漫長的進化過程中獲得了生存所必需的各種光感受器。這裡提到的覆蓋現有遠紅光到UVB的感光器被認為是其中的一部分。在藍細菌和海洋浮游生物中保存著越來越多的不同感光基因。通過研究這些，可以進一步加深對植物光感受器的理解。