5月11日，Nat Struct & Mol Biol在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究組和劉宏濤研究組的合作研究成果，題為The oligomeric structures of plant cryptochromes。研究工作報導了玉米和擬南芥藍光受體CRY蛋白PHR結構域處於激活狀態的寡聚體三維結構，揭示了植物藍光受體CRY光激活的分子機制。
隱花色素CRY是一類進化上保守的黃素蛋白，具有多種生物學功能。在動物體內，CRY起著調節晝夜節律的功能。在植物體內，CRY調節植物生長發育的多個方面，包括下胚軸的伸長和開花起始。CRY蛋白由進化上保守的N端光裂解酶同源PHR結構域和長度可變的C端CCT結構域組成。PHR結構域結合發色團FAD，吸收藍光而被活化，進而發生與下游蛋白的互作，傳遞光信號。然而，植物CRY蛋白如何被藍光激活，並最終促成與下游蛋白互作這一關鍵科學問題一直懸而未解。
科研人員利用昆蟲細胞表達系統重組表達了植物來源的多種CRY蛋白，體外重構了植物CRY蛋白的光活化過程。進而，採用單顆粒冷凍電鏡和X射線晶體學方法，解析了擬南芥生理狀態組成激活型突變體AtCRY2W374A蛋白和玉米ZmCRY1cW368A（及ZmCRY1a）蛋白N端PHR結構域的二聚體和四聚體結構（CRY-PHR）。基於結構上的發現，研究人員開展了體外生化分析與體內生理實驗，證實了同源二聚體是植物CRY的活性形式，四聚體則是由二聚體進一步二聚化形成。研究人員通過將獲得的激活態CRY-PHR結構與之前報導的非激活態結構進行比較，闡釋了CRY激活過程構象變化。最後，研究人員總結提出了植物光受體CRY介導的光信號傳遞主要包括藍光誘導光還原、構象變化形成活性二聚體、結合下游蛋白傳遞光信號三個分子過程。任何影響上述三個過程的突變，或者調控蛋白（如BIC可抑制二聚體形成，這一猜測被同期發表的另一篇研究論文所證實）都會影響植物光信號的傳遞過程。值得注意的是，基於序列的比對結果顯示這一機制很可能僅在植物中廣泛存在。該項研究不僅揭示了植物光受體CRY光激活的分子機制，而且為CRY作為光遺傳學領域光控開關的設計與應用奠定了重要分子基礎。Nat Struct & Mol Biol 同期發表了UCLA教授林辰濤對該工作的Views & News文章。
張鵬研究組博士研究生邵凱、張雪和劉宏濤研究組博士李旭為該項工作的共同第一作者，研究員張鵬和劉宏濤為論文的共同通訊作者。該項工作得到國家重點研發計劃、中科院分子植物先導B項目、國家自然科學基金、上海市科委等的共同資助。冷凍電鏡數據收集和樣品分析得到清華大學、國家蛋白質中心（上海）和浙江大學冷凍電鏡平台的大力支持，晶體衍射數據收集得到上海同步輻射光源BL19U1線站和中科院分子植物卓越中心公共技術服務中心的支持和幫助。
植物藍光受體CRY-PHR激活狀態二聚體三維結構(a)及光信號傳遞的分子過程(b)
來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所