撰文 | 無言

責編 | 王一

由於固著生長特性，植物進化出對複雜的外周環境訊號的感受及傳遞機制，並實現有關訊號在體內的微調，從而確保完成生命週期。光照對植物的生長髮育不可或缺，而植物也形成了一套光受體系統來接收不同波長的光子。例如，能感受紅光/遠紅光的光敏色素家族 (Phytochromes, PHYA-E)，感受藍光的隱花色素 (Cryptochromes, CRY1和CRY2) 和向光素 (Phototropins, PHOT1和PHOT2) 以及感受紫外光 (UV-B) 的UVR8【1,2】。光敏色素，隱花色素和UVR8光訊號途徑又能匯合在一起，並透過COP1-SPA E3泛素連線酶複合體降解光形態建成促進因子來實現光訊號的傳導及調控【3,4】。正是這些光受體的協同作用，植物才能在大到整個季節性生長週期，小到每天晝夜交替的不同日照水平，以及不同生長環境所造成的光照條件下做出正確的感應並透過體內的調控機制做出利於植物生長髮育的響應。

紫外光 (UV-B) 波長在可見光範圍之外，植物可透過受體UVR8蛋白的一些特定的色氨酸(tryptophan) 殘基來吸收UV-B光子，而其中以第285位的色氨酸 (W285) 最為重要。正常條件下，UVR-8在植物體內以非活性的同源二聚體 (homodimer) 形態存在，但當其吸收UV-B光子後，二聚體的穩定性被打破，導致其產生可與COP1相互作用的活性單體，並抑制COP1的活性，從而引起下游的基因表達調控【5，6】。RUP1和RUP2蛋白可透過對UVR8的重新二聚體化(Redimerization) 來調控活性與非活性UVR8的相對含量【7】。

解析UVR8的功能一直是近年來的研究熱點，而研究關鍵氨基酸的特定功能對理解UVR8的作用方式及調控機制至關重要。許多研究透過定點突變的方法研究了每個色氨酸殘基的功能。例如UVR8W285A表現出與COP1的組成型相互作用，並對UV-B的啟用不敏感【1】。

近日，來自瑞士日內瓦大學的Roman Ulm教授課題組在PNAS上發表了題為 A constitutively monomeric UVR8 photoreceptor confers enhanced UV-B photomorphogenesis的研究論文，報道了一個新的名為uvr8-17D的UVR8蛋白G101S突變，該突變蛋白在植物體內主要以單體形態存在，並需要UV-B的啟用；無法正常重新二聚體化，因此具有組成型的UVR8活型，表現出對UV-B超敏感響應。透過對該突變與已知突變UVR8W285A的組合，新的UVR8G101S,W285A變異體表現出極強的不依賴於UV-B的組成型光形態建成表型。該研究進一步解析了UVR8的功能，併為透過改造光受體來實現對光訊號的調節提供了重要基礎。

該研究首先以擬南芥Col-0生態型的EMS突變群體為材料，篩選到一個對UV-B響應增強並且RUP2基因沒有發生突變的突變體 (rup2突變可抑制UVR8重二聚體化並導致對UV-B響應增強)。透過對該突變體分析發現，該突變位於UVR8基因，導致蛋白G101S變異，該突變命名為uvr8-17D。UVR8G101S的蛋白在uvr8-17D突變體中丰度與野生型植株中的UVR8蛋白丰度大致相當，但是uvr8-17D突變體卻表現出與UVR8基因過表達植株 (UVR8-OX) 相似的光形態建成增強表型。在UV-B處理時，下胚軸縮短，花青素含量增高。但該表型在暗生長的uvr8-17D幼苗中與野生型相比並無區別，說明該突變體本身沒有組成型表型，其增強的光形態建成表型仍需要UV-B的啟用。

該研究還發現UVR8G101S突變能增強經過UV-B馴化適應的植株抗UV-B脅迫能力。為了進一步瞭解UVR8G101S突變會對UVR8蛋白的聚合形態產生的影響，研究人員經過不同的生化方法分析UVR8G101S蛋白，發現其在沒有UV-B的條件下，UVR8G101S蛋白主要以組成型的單體形態存在。UVR8G101S過表達株系在UV-B照射下，花青素急劇積累，而下胚軸即便在沒有UV-B光照時，相比野生型和UVR8-OX來說也極大縮短。這表明，UVR8G101S過表達可導致極端的UV-B誘導的光形態建成。

UVR8G101S突變對UVR8與COP1相互作用有影響嗎？該研究檢測到了UVR8G101S-COP1相互作用，但該相互作用與野生型UVR8-COP1相互作用相比並沒有更強。在UV-B條件下，UVR8透過其蛋白C端的的VP結構來抑制COP1的活性【7】，而利用CRISPR編輯技術刪除UVR8的C端後，uvr8-17D突變體對UV-B的超敏感表型被抑制。這些結果表明，UVR8G101S對COP1的親和性並沒有明顯增強，並仍可抑制COP1活性。

研究人員進一步利用W285A突變具有弱組成型活性的特性構建了UVR8G101S,W285A突變體。雖然每個單突變體仍能檢測到體外水平的二聚體存在，但雙突變體即便在體外條件下也完全以單體形態存在。同時，UVR8G101S,W285A與COP1的相互作用與COP1–UVR8G101S或COP1–UVR8W285A之間的相互作用相比極大增強。利用誘導型啟動子構建的UVR8G101S,W285A過表達植株即便在黑暗條件下也具有極端的光形態建成表型。透過結構生物學分析表明，G101S突變造成一個畸變的環狀區域，該區域對於UVR8二聚體的穩定起重要作用，因此該突變可能使UVR8二聚體的穩定性降低，進而使其主要以單體形態存在。透過對rup1, rup2和UVR8G101S突變體的遺傳及生化分析表明，rup1, rup2突變並沒有使UVR8G101S突變體響應UV-B的表型進一步增強，反而與RUP1和RUP2基因功能正常的野生型相比，UVR8G101S突變體響應UV-B的表型極大增強，表明該突變體活性的增強是由於抑制了RUP1和RUP2參與的重二聚體化過程。

uvr8-17D突變介導的紫外光感受及調控模型

參考文獻

【1】L. Rizzini et al., (2011) Perception of UV-B by the Arabidopsis UVR8 protein. Science 332, 103–106.

【2】E. Demarsy, M. Goldschmidt-Clermont, R. Ulm, (2018) Coping with ‘dark sides of the sun’ through photoreceptor signaling. Trends Plant Sci. 23, 260–271.

【3】 R. Podolec, R. Ulm, (2018) Photoreceptor-mediated regulation of the COP1/SPA E3 ubiquitin ligase. Curr. Opin. Plant Biol. 45, 18–25.

【4】 U. Hoecker, (2017) The activities of the E3 ubiquitin ligase COP1/SPA, a key repressor in light signaling. Curr. Opin. Plant Biol. 37, 63–69.

【5】K. Lau, R. Podolec, R. Chappuis, R. Ulm, M. Hothorn, (2019) Plant photoreceptors and their signaling components compete for COP1 binding via VP peptide motifs. EMBO J. 38,

e102140.

【6】X. Huang et al., (2013) Conversion from CUL4-based COP1-SPA E3 apparatus to UVR8-COP1-SPA complexes underlies a distinct biochemical function of COP1 under UV-B. Proc.

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 16669–16674.

【7】M. Heijde, R. Ulm, (2013) Reversion of the Arabidopsis UV-B photoreceptor UVR8 to the

homodimeric ground state. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 1113–1118.

論文連結：

https://www.pnas.org/content/118/6/e2017284118