植物COP1蛋白的结构与功能

组成型光形态建成1(constitutively photomorphogenic 1,COP1)蛋白是一个分子量为76 kD的核蛋白,它由3个特殊的结构域组成即环形锌指结合域、卷曲螺旋形结构域和WD_40 重复序列,并含有一个核定位信号和一个新型细胞质定位信号,它是一个光形态建成的抑制子,是一个光调控植物发育的分子开关。当植物在暗环境下生长时,COP1蛋白聚集在细胞核内,抑制光形态的建成,而在光环境下,COP1蛋白则分散到细胞质中,解除其抑制作用,恢复光形态建成。COP1蛋白在细胞内的核质分布受多个因素的影响,核内COP1通过与特异转录因子相互作用来调节光形态建成。继从植物中分离鉴定出COP1蛋白之后,动物体内也发现有COP1蛋白的存在,提示COP1蛋白可能在调节动物和植物的发育及信号转导等方面具有共同作用模式。     

动植物中COP1泛素连接酶介导的信号转导与蛋白质稳态调控

COP1 E3泛素连接酶最初是在植物中作为光形态建成的关键抑制因子被发现和广泛研究的，是植物生长发育和环境适应过程中的核心“开关”。光受体接收外界环境信号后传递给COP1,COP1再靶向调控下游核心转录因子，从而完成光形态建成等生命过程。在哺乳动物中，尽管大部分光受体都消失，但COP1仍在代谢调控和肿瘤发生过程中靶向重要的转录因子。通过比较动植物中COP1调控过程的异同发现，哺乳动物中COP1所感知的上游信号几乎是未知的，其中COP1结合CRL4形成的复合体E3泛素连接酶的组装机制调控仍不清楚。植物中光是其主要能量来源和COP1的主要上游信号，而作为动物的主要能量来源，葡萄糖和相关激素很可能也是动物COP1的上游信号。同时，通过总结医学研究中针对蛋白质泛素化相关过程的丰富靶点和相关药物，可以为植物COP1等E3泛素连接酶的研究提供有效工具。COP1在细胞生命过程调控中至关重要，其功能和作用机制随着进化而产生多样性，尚有待继续深入探究。     

光控发育和光敏色素的研究进展

植物发育是其遗传基因在环境因子作用下,在一定的时间和空间组合下的顺序和协调的表达。光是环境因子中对发育调控作用最广泛、最明显的一个因子。绝大部分光调节反应是不可逆的形态建成反应。所谓光形态建成(photomor-phogenesis)就是光控发育的意思。它是由多个光受体参与调节的复杂过程,这些光受体是光敏色素(phytochrome)、隐花色素(cryptochrome)、紫外光-β受体。近一个世纪来光控发育研究从整体到细胞、最近到大分子水平不断地发展,近20年来积累了大量的资料,形成了一个分支学科。在植物的光生物学中,它是和光合作     

嗜热四膜虫Tcd1蛋白功能结构域的突变分析

有性生殖过程特异表达的Tcd1在四膜虫大核基因组重排和修复中起到重要调节作用, Tcd1含有进化中保守的chromodomain(CD)结构域以及chromo shadow domain (CSD)结构域, 然而不同结构域的具体功能并不清楚。本研究首先鉴定了TCD1基因仅含有1个CD结构域的选择性剪切本TCD1β,免疫荧光定位表明,Tcd1β定位在胞质中。定点突变Tcd1中CD1内159位色氨酸为丙氨酸, Tcd1W159A点状定位在亲本大核,然后转移到新发育的大核上围绕核膜致密分布,发育的晚期逐步消失。进一步突变CD2中437位的色氨酸为丙氨酸后,Tcd1W159AW437A在早期亲本大核形成异常的环状分布, 而在新发育大核中形成点状分布。截短CSD结构域C端35个氨基酸后, Tcd1Δ35在亲本大核和新大核上的定位不受影响。 然而,截短CSD结构域C端的53个氨基酸后, Tcd1Δ53定位在细胞质中, 无核内定位。结果表明, Tcd1中的CD1和CD2结构域决定了Tcd1蛋白在核内的分布, CSD结构域决定了Tcd1入核转运, Tcd1的3个功能结构域共同决定了Tcd1在四膜虫中的功能定位。     

类受体激酶——植物环境适应性的调节枢纽

“莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。”大雨滂沱,苏轼拄着竹杖穿着蓑衣寻找避雨之所……树林竹叶虽不能避雨,却也不怕大雨的击打,这全都依赖于植物进化出了一套高度精密的信号响应机制来“趋利避害”,实现对环境变化的适应。植物感受环境信号需要类受体激酶(Receptor-like kinases,RLKs)。类受体激酶是一类定位在细胞膜上的单次跨膜蛋白,包括一个感受外界信号的胞外受体结构域,一个跨膜结构域和一个胞内激酶结构域。常见的类受体激酶信号通路中,首先由胞外受体结构域感受和识别细胞外界信号,将信号传递到细胞质一侧,胞质激酶结构域与下游蛋白相互作用,并启动其生化反应(如磷酸化),最终通过细胞核-细胞质穿梭信使将信号传递到细胞核内,调控下游基因表达进行信号输出,从而实现对环境快速变化的适应。     

植物UV-B受体及其介导的光信号转导

拟南芥（Arabidopsis thaliana）蛋白UVR8（UV RESISTANCE LOCUS 8）是UV-B特异的光受体,介导UV-B诱导的光形态建成。无UV-B照射时,UVR8以二聚体的形式存在于细胞质和细胞核中。接收到UV-B光信号后,细胞质中的UVR8转移到细胞核中并解聚,之后与E3泛素连接酶COP1（CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1）相互作用,调节一系列重要的UV防御基因的表达。UVR8除了作为UV-B特异的光受体,在细胞中也具有重要作用,协调整个植物体对UV-B的应答。该文重点综述了UVR8蛋白的结构、生理功能及其介导的UV-B光信号转导分子机制等方面的研究进展。     

光敏色素A调控光响应基因表达及其翻译后修饰研究进展

光是调节植物生长发育最重要的环境信号因子之一。植物通过光受体感受自然环境中光的强度、方向以及光周期等信号的变化,从而调控其生长发育过程。光敏色素A (phytochrome A, PHYA)是植物中唯一的远红光受体蛋白,具有在黑暗下在细胞质中合成,而在照光后快速入核和降解的特性,并通过多种途径精确调节了植物光响应基因的转录网络。同时,蛋白质翻译后修饰在调节PHYA稳定性和活性的过程中发挥了重要的作用。该文论述了PHYA调节光响应基因表达以及PHYA翻译后修饰方向的研究进展,并展望了PHYA在农作物分子设计育种中的应用前景。     

隐光敏素及其信号传导研究进展

隐光敏素是一种对植物生长发育起调节作用的与光敏素功能相似的蓝光受体。90’s后特别是近年来对植物隐光敏素进行了较深入的研究,已知隐光敏素存在于植物,也存在于动物中。隐光敏素在植物种子萌发中的去黄化作用、光周期诱导开花、调节昼夜节律性等方面起重要作用;本文介绍了隐光敏素基因及其蛋白质的特征特性,包括隐光敏素的结构特征,在植物中的分布、在细胞中定位及其基因表达情况; 在其基础上,概述了隐光敏素调节植物光形态建成和动、植物昼夜节律性过程中所起的作用,通过分析隐光敏素及其与互作蛋白的关系, 初步阐述了隐光敏素如何经过信号传导通道上的蛋白而起调节植物生命活动的功能。指出深入研究隐光敏素及其信号传导以阐明植物的光形态建成具有重大理论和实践意义。     

植物HY5蛋白结构与功能的研究进展

HY5（LONG HYPOCOTYL 5）为光形态建成的正调控因子,是光调控植物发育的分子开关。在光诱导的基因表达中,HY5调控着植物基因组中上千基因的表达,它既可以单独调控相关基因的表达,也可以与其他调控因子一起共同调控相关基因的表达。HY5蛋白除了在光形态建成中起作用外,还在植物激素的信号传递过程中起着极其重要的作用,它整合了光信号传递和植物激素的信号传递。本综述简要介绍HY5蛋白的结构、生理功能及其分子机制等方面有关的进展。     

植物凝集素类受体蛋白激酶研究进展

自然界中植物的生长发育受到各种环境变化的影响。为了响应外界各种环境条件,植物演化出一系列识别和传递环境信号的蛋白分子,其中比较典型的是植物细胞质膜上的类受体蛋白激酶(RLKs)。凝集素类受体蛋白激酶(LecRLKs)是类受体蛋白激酶家族中的一个亚族,它主要包含3个结构域:细胞外凝集素结构域、跨膜结构域和细胞内激酶结构域。根据细胞外凝集素结构域的不同,LecRLKs可分为3种不同类型:L、G和C型。近年来,研究表明LecRLKs在植物生物/非生物胁迫和发育调控中发挥非常重要的作用。该文综述了植物凝集素类受体蛋白激酶的研究历史、结构特点、分类以及生物学功能,并重点阐述凝集素类受体蛋白激酶在植物生物/非生物胁迫响应和调控发育方面的功能。对不同类型和不同功能的植物凝集素类受体蛋白激酶进行阐述将有利于对该类蛋白开展功能研究,并为作物改良提供有益借鉴。     

Evidence for functional conservation of a mammalian homologue of the light-responsive plant protein COP1.

Identified in Arabidopsis as a repressor of light-regulated development, the COP1 (constitutively photomorphogenic 1) protein is characterized by a RING-finger motif and a WD40 repeat domain [1]. The subcellular localization of COP1 is light-dependent. COP1 acts within the nucleus to repress photomorphogenic development, but light inactivates COP1 and diminishes its nuclear abundance [2]. Here, we report the identification of a mammalian COP1 homologue that contains all the structural features present in Arabidopsis COP1 (AtCOP1). When expressed in plant cells, a fusion protein comprising mammalian COP1 and beta-glucuronidase (GUS) responded to light by changing its subcellular localization pattern in a manner similar to AtCOP1. Whereas the mammalian COP1 was unable to rescue the defects of Arabidopsis cop1 mutants, expression of the amino-terminal half of mammalian COP1 in Arabidopsis interfered with endogenous COP1 function, resulting in a hyperphotomorphogenic phenotype. Therefore, the regulatory modules in COP1 proteins that are responsible for the signal-dependent subcellular localization are functionally conserved between higher plants and mammals, suggesting that mammalian COP1 may share a common mode of action with its plant counterpart in regulating development and cellular signaling.     

Short communication: the N-terminal fragment of Arabidopsis photomorphogenic repressor COP1 maintains partial function and acts in a concentration-dependent manner

Arabidopsis seedlings exhibit distinct developmental patterns according to their light environment: photomorphogenesis in the light and etiolation or skotomorphogenesis in darkness. COP1 acts within the nucleus to repress photomorphogenesis in darkness, while light depletes COP1 from nucleus and abrogates this repression. COP1 contains three structural modules: a RING finger followed by a coiled-coil domain, and a WD40 repeat domain at the C-terminus. By introducing various domain deletion mutants of COP1 into cop1 null mutant backgrounds, we show that all three domains are essential for the function of COP1 in vivo. Interestingly, a fragment containing the N-terminal 282 amino acids of COP1 (N282) with both the RING finger and coiled-coil modules is sufficient to rescue the lethality of the cop1 null mutations at low expression level. However, high expression levels of the N282 fragment result in a phenocopy of the cop1 null mutation. The sensitivity of the seedling to levels of N282 could reflect the importance of the abundance of COP1 for the appropriate regulation of photomorphogenic development.     

Expression of an N-terminal fragment of COP1 confers a dominant-negative effect on light-regulated seedling development in Arabidopsis.

CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1 (COP1) is an essential regulatory gene that plays a role in light control of seedling development in Arabidopsis. The COP1 protein possesses three recognizable structural domains: a RING finger zinc binding domain near the N terminus, followed by a coiled-coll domain and a domain with WD-40 repeats in the C-terminal half. To determine whether COP1 acts specifically as a light-inactivable repressor of photomorphogenic development and to elucidate the functional roles of the specific structural domains, mutant cDNAs encoding the N-terminal 282 amino acids (N282) of COP1 were expressed and analyzed in transgenic plants. High-level expression of the N282 fragment caused a dominant-negative phenotype similar to that of the loss-of-function cop1 mutants. The phenotypic characteristics include hypersensitivity of hypocotyl elongation to inhibition by white, blue, red, and far-red light stimuli. In the dark, N282 expression led to pleiotropic photomorphogenic cotyledon development, including cellular differentiation, plastid development, and gene expression, although it has no significant effect on the hypocotyl elongation. However, N282 expression had a minimal effect on the expression of stress- and pathogen-inducible genes. These observations support the hypothesis that COP1 is directly involved in the light control of seedling development and that it acts as a repressor of photomorphogenesis. Further, the results imply that the N282 COP1 fragment, which contains the zinc binding and colled-coil domains, is capable of interacting with either downstream targets or with the endogenous wild-type COP1, thus interfering with normal regulatory processes. The fact the N282 is able to interact with N282 and full-length COP1 in yeast provided evidence for the latter possibility.     

植物光调控因子COP1、HY5的研究进展

植物光形态建成调控因子COP1黑暗中积累在细胞核内,直接与碱性亮氨酸拉链（bZIP）类转录因子HY5相互作用,并被蛋白酶降解,负调控下游基因的表达;而在光下COP1从细胞核内转移到细胞核外,HY5得以在细胞核内积累,可特异结合于查尔酮合成酶基因CHS等光诱导基因启动子上,正调控相关基因的表达。