近期，南方科技大學生物系兼職教授、美國科學院院士鄧興旺聯合北京大學生命科學學院副研究員朱丹萌課題組，揭示了HY5(ELONGATED HYPOCOTYL 5)在光下可通過蛋白-蛋白直接互作增強BIN2 （BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 2）的激酶活性，抑制幼苗下胚軸伸長。相關論文以“Modulation of BIN2 kinase activity by HY5 controls hypocotyl elongation in the light”為題發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
光是植物賴以生存的能量來源與關鍵生長髮育信號。模式植物擬南芥幼苗在光下呈現短胚軸、子葉延展等典型特徵。不論是外在的植物表型還是內在的分子機制方面的研究，都表明HY5是促進植物光形態建成的關鍵轉錄因子。科學界近二十年的研究工作構建了以HY5為中央樞紐的光信號轉導網絡，奠定了HY5作為轉錄因子的“明星”地位。
圖1 光下HY5通過蛋白-蛋白相互作用增強BIN2的激酶活性抑制幼苗下胚軸伸長
油菜素內酯（Brassinosteroid, BR）是一種能夠促進細胞伸長的植物激素。BR信號通路中的關鍵負調控因子GSK3β蛋白激酶BIN2通過磷酸化轉錄因子BZR1 (BRASSINAZOLE-RESISTANT 1) 導致BZR1降解來抑制下胚軸伸長。已有研究顯示，在HY5過表達株系內BZR1蛋白表達顯著下降，但調控機制未知。鄧興旺團隊發現，HY5在植物體內可通過與BIN2直接互作增強BIN2激酶活性，促進BZR1磷酸化及降解。隨著環境光強增加，植物可通過增加HY5含量來調節BIN2激酶活性從而精確抑制下胚軸伸長。已有研究表明，BIN2第200位的酪氨酸(Y200)在動植物中保守，且其自磷酸化比例越高酶活越強。
此次研究發現，HY5可促進BIN2的Y200自磷酸化，同時確定HY5的亮氨酸拉鍊結構域是與BIN2互作並調節其激酶活性的關鍵所在。研究團隊與中國人民大學副教授龔新奇合作開展了HY5與BIN2互作後的功能運動模擬，發現HY5結合BIN2後會促使BIN2改變其N端與C端相對運動方向，Y200更容易接近自身的激酶催化中心，從而增強其自磷酸化幾率(計算機模型見圖1A)。
綜上，這項研究發現了HY5調控下胚軸伸長的新方式，揭示了其介導的BR信號抑制機理(圖1B)，為GSK3β激酶活性調控研究提供了新視角，或可為今後HY5蛋白的定向改造提供氨基酸位點信息。這項研究是研究團隊繼發現光形態建成抑制因子COP1抑制BIN2活性來促進暗形態建成的非經典功能 (Ling et al., 2017, PNAS)之後的又一新發現，並再次揭示光信號途徑重要因子“技多不愁”的有趣現象。
談到這個課題研究，南科大生物系研究助理教授李健的體會是要基於可信的實驗結果大膽假設、小心論證。他介紹，“課題最開始篩到BIN2與HY5互作後，方向一直是分析BIN2對HY5的磷酸化作用，但是用了半年時間發現生化、遺傳上的數據都不對，當時認為這個課題無法繼續並擱置了半年。後面再回過頭來看，發現遺傳數據指示的是HY5在上游、BIN2在下游，所以大膽地推測HY5調控了BIN2。”
李健為論文第一作者，鄧興旺、朱丹萌以及龔新奇為論文共同通訊作者。南科大是論文第二通訊單位。該研究得到南方科技大學、科技部國家重點研發計劃蛋白質重點專項、國家自然科學基金委、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室，以及北大-清華生命科學聯合中心的資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15394-7
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