讓植物對曙光做好準備的CFH1

圖片作者：ChatGPT

幾乎所有的生物都有晝夜節律（circadian rhythm），這是生物在感受到光線而調節基因的表現，把自己準備好，以因應一些可預測的事件（如太陽出來了就需要進行光合作用等）。晝夜節律是一個複雜的生物機制，牽涉到非常多的基因；有些基因被表現，合成新的蛋白質或RNA、有些基因的表現被抑制，原來已經做好的蛋白質被送去分解。

蛋白質的分解其中一個很重要的機制是泛素化（ubiquitination），將不再需要的蛋白質以泛素標記後，送到26S蛋白酶體去分解。這個過程牽涉到E1（泛素活化酶）、E2（泛素結合酶）和E3（泛素連接酶）。其中E3是最具特異性的，它負責識別特定的目標蛋白質。

過去的研究已經發現了不少個與晝夜節律有關的E3泛素連接酶，如ZTL、FKF1、COP1等，其中COP1不僅與晝夜節律有關，也與光傳導有關。事實上，COP1一開始被發現，是因為少了這個基因的植物，會呈現一直看到光的狀態。這可以從它的名字看出來（COP是constitutive photomorephogenic的意思）。

由於光傳導跟晝夜節律應該是息息相關的，但是過去找到的連接這兩個機制的E3泛素連接酶，似乎只有COP1一個；因此研究團隊設計了一套策略，想要找到連接晝夜節律與光傳導的E3泛素連接酶。

他們對阿拉伯芥的微陣列（microarray）資料進行分析。目前已經公開的微陣列資料也不算少，所以他們不需要重新做。從這些公開的資料中，他們找出在恆定光照條件下還表現出晝夜節律的F-box基因（E3泛素連接酶的特徵之一），而且他們要求至少在3筆微陣列資料中有2筆有這樣的現象。

這樣篩選的結果，找到了31個基因。接著，他們把這些基因給修改了一下，讓它們可以穩定目標蛋白質，而不是促進目標蛋白質分解（原本的功能）。

接著，他們把這些基因一一放回阿拉伯芥，看看哪一個的胚軸長得最長。結果他們找到了一個基因，命名為CFH1，因為它與晝夜節律有關（clock-regulated），又有F-box，還會讓植物的胚軸延長（long hypocotyl）。

首先，研究團隊發現，這個基因的表現在早晨達到最高，晚上最低。

接著，他們發現CFH1會跟光敏素B（phytochrome B）的互動成員PIF3互動。進一步的分析發現，當沒有光敏素B時，如果再把CFH1也拿掉，則PIF3的蛋白質就變多了。這意味著，CFH1應該是參與了PIF3的分解。

為了想更清楚的了解CFH1與PIF3的互動，研究團隊製作了沒有CFH1也沒有PIF3的雙突變株。結果發現，少了這兩個基因的雙突變株，它的胚軸比野生種以及只少了CFH1的植物都要短很多。少了兩個基因的突變株，比只少了CFH1的植物短了56%。

那麼，CFH1與光敏素B有沒有關係呢？研究團隊製造了少了光敏素B也少了CFH1的雙突變株，結果發現少了這兩個基因的植物，其PIF3的量比只少了光敏素B的植物更高。這意味著，CFH1不需要光敏素B就可以調節PIF3蛋白的穩定性。另外，這個雙突變株的胚軸，比只少了光敏素B的突變株更長，這也顯示了CFH1不需要光敏素B也能發揮功能。進一步的研究也發現，在沒有光敏素B的植物裡，CFH1的表現還是維持著原來的晝夜節律。

所以，透過非常精密的篩選機制，研究團隊找到了CFH1這個基因，它獨立於光敏素B來作用在PIF3，對於維持PIF3的表現有重要的影響。而PIF3是一個與光敏素B有直接互動的轉錄抑制因子，過去的研究發現，在黑暗中，它會促進暗型態發生（skotomorphogenesis），讓胚軸延長。有光的時候，PIF3會與光敏素B結合，然後被分解。而CFH1會促進PIF3的分解！在早晨，CFH1的表現來到最高，驅動更多的PIF3分解，為曙光的到來做最好的準備。

參考文獻：

Liu W, Lowrey H, Xu A, Leung CC, Adamchek C, He J, Du J, Chen M, Gendron JM. A circadian clock output functions independently of phyB to sustain daytime PIF3 degradation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Aug 27;121(35):e2408322121. doi: 10.1073/pnas.2408322121. Epub 2024 Aug 20. PMID: 39163340.