植物光敏色素B通过PIF6介导红光信号转导的结构机制解析

本研究揭示了植物红光受体phyB与转录因子PIF6复合物的冷冻电镜结构，阐明了phyB从Pr到Pfr的光激活构象变化机制，发现PIF6通过稳定phyB-Pfr的N端延伸区域促进光信号转导，同时phyB-Pfr抑制PIF6二聚化及其转录激活活性。该研究为理解植物光信号转导提供了重要结构基础，对光遗传学工具开发具有指导意义。

　　

在植物生命活动中，光信号感知与转导是调控生长发育的核心环节。作为最重要的红光/远红光受体，光敏色素B（phyB）通过在不同光条件下可逆转换的两种构象——红光激活的Pfr形式和远红光或黑暗中的Pr形式，调控种子萌发、避荫反应和开花时间等关键过程。然而，phyB如何通过构象变化实现光信号感知，以及如何与下游转录因子相互作用传递信号，一直是领域内悬而未决的科学问题。

为解析这一机制，来自中国的研究团队通过冷冻电镜技术，成功捕获了phyB-Pfr与转录因子PIF6的复合物结构。研究聚焦phyB光激活过程中的结构重排和信号传递机制，相关成果发表在《Cell Discovery》期刊。研究团队主要运用了冷冻电镜结构解析、化学交联实验、小角X射线散射（SAXS）分析、电泳迁移率变动分析（EMSA）和双荧光素酶报告系统等关键技术方法。

研究结果

Photoactivated phyB interacts with PIFs in vitro
通过体外pull-down和分子排阻色谱实验，证实红光激活的phyB-Pfr特异性结合PIF6β，而黑暗条件下相互作用显著减弱。PIF6β与phyB-Pfr形成2:1的稳定复合物，为后续结构研究奠定基础。

Cryo-EM structures of the full-length phyB-Pfr-PIF6β complex
冷冻电镜结构显示，两个phyB-Pfr分子以"头对头"（head-to-head）方式平行排列，与一个PIF6β分子相互作用。红光诱导的PΦB（phytochromobilin）D环旋转触发构象变化：舌状环（HP loop）转变为α螺旋，N端延伸区（NTE）折叠成三个螺旋并覆盖PΦB结合口袋。

Reassembly of phyB PSMs during PIF6-mediated signal transduction
比较结构分析揭示，phyB从Pr到Pfr的转换涉及光敏模块（PSM）的显著构象重排：PHY结构域旋转10°导致调节环（Mod）解离，GAF结构域的螺旋1变直，破坏PAS2介导的原"头对尾"（head-to-tail）二聚化界面。化学交联实验证实PIF6促进PSM向"头对头"组装转变。

PhyB influences the DNA binding and transcriptional activation activities of PIF6
荧光互补成像（LCI）和EMSA实验表明，phyB-Pfr通过同时结合PIF6的N端和bHLH结构域，抑制其二聚化和DNA结合能力。双荧光素酶报告系统证实phyBY^276H（组成型活性突变体）可抑制PIF6的转录激活功能。

讨论与意义
该研究首次在原子水平揭示了phyB-Pfr-PIF6复合物的组装机制，阐明了三个关键科学问题：（1）红光如何通过PΦB异构化触发phyB构象变化；（2）PIF6如何稳定phyB-Pfr的活性构象并提高Pr→Pfr光转换效率；（3）phyB-Pfr如何调控PIF6的转录活性。研究提出的"构象转换-模块重组-信号传递"模型（图5e），为理解植物光信号转导提供了范式。

结构解析显示，植物phyB的光激活机制显著不同于微生物phy（其PSM始终保持"头对头"组装），这种构象可塑性可能赋予高等植物更精细的环境适应能力。发现PIF6β的N端11-60残基（含APB motif）足以结合phyB，为设计高效光遗传学工具提供了精确靶点。研究还暗示phyB的相分离和温度感应可能受PIF6调控，为理解环境信号整合开辟了新视角。

这些发现不仅推进了对植物光信号通路的理解，也为作物光形态建成调控和合成生物学应用提供了理论依据。正如作者指出，phyB-PIF系统的可逆相互作用特性，使其成为调控细胞活动的理想光控开关，在生物医学和农业领域具有广阔应用前景。