大豆光敏色素A的Pr与Pfr结构解析：揭示植物光信号转导的分子机制

本研究通过高分辨率晶体学和XFEL技术，首次解析了大豆光敏色素A(phyA)的Pr(红光吸收态)和Pfr(远红光吸收态)结构，揭示了植物光受体光激活过程中的关键构象变化。研究人员发现尽管与细菌光敏色素信号机制差异显著，但植物phyA仍保留了保守的D环光翻转和色氨酸开关机制，为理解高等植物光形态建成提供了结构基础。该成果发表于《Nature Communications》，为设计光控作物育种策略提供了新靶点。

　　

在植物感知环境光的复杂机制中，光敏色素(phytochrome)作为关键的光受体蛋白，通过Pr(红光吸收态)和Pfr(远红光吸收态)之间的光转换调控种子萌发、茎伸长和开花时间等发育过程。然而长期以来，植物光敏色素Pfr活性态的三维结构始终未能解析，严重阻碍了对光信号传递分子机制的理解。特别是phyA作为拟南芥中调控约10%基因表达的核心光受体，其独特的极低光响应(VLFR)特性与phyB等家族成员存在显著差异。这些悬而未决的问题促使德国吉森大学等机构的研究团队开展这项突破性研究。

为解决这一科学难题，研究团队综合运用同步辐射晶体学(1.58 ?)、X射线自由电子激光(SFX, 2.2 ?)和低温电子显微镜等技术，首次解析了大豆phyA的nPAS-GAF模块在Pr和Pfr状态下的高分辨率结构。通过比较环境温度与低温下的结构差异，结合phyA-PCB和phyA-PDB两种色素复合物的分析，揭示了植物光敏色素光激活的分子机制。

关键技术方法
研究采用重组表达获得大豆phyA(nPAS-GAF)全蛋白，通过微晶批量培养和双流聚焦喷嘴实现XFEL数据采集。使用BESSY II同步辐射获得1.58 ?低温晶体结构，在欧洲XFEL的SPB/SFX线站获取环境温度下的Pr和红光照射后的Pfr混合状态数据。通过F_o(light)-F_o(dark)差值图和距离差异矩阵分析构象变化，结合q加权外推法构建Pfr模型。

研究结果

Cryogenic Pr structures
1.58 ?分辨率的phyA-PCB(PDB 8R44)和1.86 ?的phyA-PDB(8R45)结构显示，尽管PDB色素的乙烯基侧链使吸收峰红移且体外热回复速率加快，但两种色素的蛋白结构几乎完全一致。D环乙基在α/β面均出现电子密度，表明构象存在动态平衡。与拟南芥phyA全长冷冻电镜结构比对显示，nPAS-GAF区域在独立晶体和全分子中保持高度保守。

Ambient temperature Pr structures
环境温度SFX结构(9ER4)与独立重复数据集高度一致，证实数据可靠性。与低温结构相比，晶体热膨胀导致单位晶胞参数增大2.4%，但局部叠合显示分子构象基本不变，排除了辐射损伤假象。未解析的150s和380s环区(残基111-118和346-359)表明这些区域具有固有流动性。

Ambient temperature Pfr structure
通过630nm LED原位光激活获得的Pfr结构(9F4I)显示：

1. 色氨酸采取ZZEssa构型，D环保持α面朝向，支持顺时针光翻转模型
2. Y242和Y269酪氨酸二联体发生剧烈旋转(Y242从t80°→m-30°，Y269从m-85°→p90°)
3. B环丙酸根(propB)的相互作用从R288/R318盐桥转变为以R318为主的结合模式
4. H324与吡咯水(PW)协同上移约1?，可能参与质子传递
5. Q276-K286和H321-D332螺旋发生显著位移，可能参与信号传递

讨论与意义
该研究首次揭示植物phyA在Pfr状态下的结构特征，发现尽管与细菌光敏色素的信号输出机制迥异，但二者在D环光翻转、色氨酸旋转和螺旋位移等光激活核心要素上高度保守。特别值得注意的是，phyA特有的Y242突变体在转基因植物中能组成性激活光形态建成，其结构基础在本研究中得到阐明。

研究还发现phyA的色氨酸口袋在Pfr状态下仍向溶剂开放，这与phyB-PIF6复合物中观察到的闭合构象形成鲜明对比，暗示不同phy家族成员可能采用差异化的信号传递策略。GAF结构域中保守的组氨酸(H324)和丙酸根网络构成质子传递通路，为理解光致变色过程中的质子释放机制提供了结构线索。

这些发现不仅解决了植物光生物学领域长期存在的结构生物学难题，更为设计光调控作物品种提供了精准的分子靶点。通过阐明phyA特有的极低光响应结构基础，该研究为开发适应弱光环境的智能农业技术奠定了理论基础。未来研究需要进一步解析phyA与FHY1转运蛋白及PIF1/PIF3等效应分子的复合物结构，以完整揭示植物光信号转导的全景网络。