基本信息
论文题目： Photoexcited CRYPTOCHROME 1 Interacts with Dephosphorylated BES1 to Regulate Brassinosteroid Signaling and Photomorphogenesis in Arabidopsis
发表期刊：Plant Cell
发表时间：2018.8
影响因子：8.228
作者单位：复旦大学杨洪全教授课题组
本文涉及的高通量技术：酵母双杂交筛库（由欧易生物提供服务）
研究背景
光是最重要的环境因子，不仅是植物光合作用的能量来源，也是调控植物生长发育的信号来源。植物通过内在感应光的信号分子——光受体介导的信号转导途径来调控植物的生长发育。这些受体包括紫外光B受体UVR8、蓝光受体隐花素CRY和向光素PHOT、红光/远红光受体光敏素phy。在拟南芥中，CRY1和CRY2调控光形态建成、开花时间和生物钟。近年来有研究表明，以油菜素内酯（BR）为代表的甾醇类激素广泛参与植物光形态建成，但其作用机理并不清楚。
研究内容
作者发现，CRY1和CRY2能够与bHLH转录因子BES1-INTERACTING MYC-LIKE1 (BIM1)相互作用。而BIM能与BRI1-EMS SUPPRESSOR1 (BES1)互作并激活其活性，从而参与BR信号通路。进一步研究发现，CRY1和CRY2特异与去磷酸化的BES1互作。这种活性状态的BES1依赖蓝光处理并经由BR诱导。CRY1-BES1的互作能够抑制BES1结合DNA的活性以及下游靶基因的表达。以上结果表明，在蓝光条件下，BR诱导CRY1与BES1互作，并通过此机制平衡外部光照与内部BR信号，进而优化植物的光形态建成。
研究思路
研究结果
1. 利用CRY1的N端（CNT1）作为诱饵蛋白进行酵母双杂交筛库，筛选到互作蛋白BIM1。进一步通过酵母双杂交证明，CNT1与BIM1在暗培养以及蓝光处理下都能互作，而CRY1的C端CCT1只能与COP1互作。另外，在蓝光处理下，CRY2及其N端CNT2也能与BIM1互作。作者另外通过pull-down证明，CNT1，CNT2和CCT2都能与BIM1互作。而在体内试验环节，作者采用共定位和BiFC技术证实，CNT1对于CRY1和BIM1的互作至关重要；将GST-BIM1与植物蛋白提取物孵育，发现BIM1只能与来自蓝光处理植株的CRY1互作，与暗处理或红光，远红光处理植物的CRY1不能互作。以上结果表明，CRY1与BIM1的互作依赖蓝光的存在。
已知BIM1能与BES1互作调控BR下游基因的表达，因此作者进一步通过酵母双杂交验证CRY1与BES1（及其同源蛋白BRZ1）的关系。结果表明，CRY1与BES1在蓝光处理下的互作强度高于暗处理条件， 而CRY1与BRZ1的互作不依赖蓝光。pull-down实验证明，BES1能够与CNT1, CNT2，CCT2互作，但不能与CCT1互作。以上结果表明，CNT1对CRY1和BES1的互作至关重要，而CNT2和CCT2都能介导CRY1和BES1的互作。作者另外通过烟草Co-IP和BiFC验证了上述结果。接下来，作者通过拟南芥转基因植株，在体内证实了CRY1和CRY2能够在蓝光处理下与BES1互作。
2. 有文献报道，芸苔素和BRZ能分别诱导BES1的去磷酸化和磷酸化。利用上述两种物质处理BES1过量表达植株并进行Co-IP，表明光诱导的CRY1和CRY2只能与去磷酸化的BES1互作。作者进一步通过pull-down证实了，CNT1, CNT2，CCT2能够与去磷酸化的BES1互作。
3. 在蓝光处理下，植株对芸苔素的响应没有暗处理植株敏感，说明蓝光能够抑制BR信号转导。利用高强度蓝光处理CRY1突变体，其对BL浓度的响应比野生型更积极，而CRY1过量表达植株对BL浓度不敏感；低强度蓝光处理下，cry1，cry2和cry1 cry2突变体对BL浓度比野生型更加敏感。以上结果表明， CRY1和CRY2介导了蓝光对BR信号的抑制作用。
4. BES1-RNAi 植株在黑暗，蓝光，红光，远红光处理中，下胚轴长度都比野生型短；而BES1过量表达植株经过蓝光处理， 下胚轴长度比野生型增长。这个结果说明， BES1能够促进下胚轴的伸长。蓝光处理（高强度和低强度）cry1 cry2 BES1-RNAi植株，其下胚轴长度都比cry1 cry2双突变体更短。以上结果表明，在蓝光处理下，BES1 和 BZR1作为CRY1和CRY2的下游调控下胚轴伸长。
5. 分析已发表的转录组数据，共筛选到629个CRY介导的蓝光信号通路和BR信号通路共同调控的基因，其中381个基因具有相反的表达模式。GO分析表明，受到芸苔素的正调控和蓝光信号的负调控的基因，主要涉及植物激素，细胞壁发育等方面；而芸苔素负调控和蓝光正调控的基因，主要参与细胞壁发育和光合作用。进一步比较了蓝光信号和BES1共同调控的593个基因，其中368个具有相反的表达模式。作者选择了6个BR响应基因做定量PCR验证，结果表明CRY1能响应蓝光信号，调控BES1/BRZ1下游基因的表达。
6. EMSA实验表明，BES1能够结合BR信号marker基因DWF4的启动子。体系中增加CNT1的浓度，能显著减弱BES1的结合能力，而CCT1没有类似的抑制作用。体内实验表明，蓝光处理1小时即可显著增加野生型植株中BES1结合DWF4和SAUR15的能力，而cry1突变体对蓝光不敏感。以上结果表明，蓝光诱导的CRY1与BES1的互作，能够抑制BES1结合DNA的活性。
7. 总结：①在黑暗条件下，CRY1处于非激活状态，不能与去磷酸化的BES1互作。因此BES1可以诱导靶基因表达，参与下胚轴的伸长；②在光照条件下，CRY1转变为激活状态，与去磷酸化的BES1互作，从而抑制其结合DNA的活性；而当BR缺失时，大部分BES1被磷酸化失去活性，不能与CRY1互作。同时，下游靶基因也受到抑制，阻碍下胚轴的伸长。
总结
利用酵母双杂交技术将光受体与BR信号通路串联在一起，为解析光形态建成中信号交互的分子机制打开新思路。
参考文献
Wenxiu Wang, Xuedan Lu, Ling Li, Hong-Li Lian, Zhi-Lei Mao, Peng-Bo Xu, Tongtong Guo, Feng Xu, Sha-Sha Du, Xiao-Li Cao, Sheng Wang, Hongyun Shen, Hong-Quan Yang. (2018). Photoexcited CRYPTOCHROME 1 Interacts with Dephosphorylated BES1 to Regulate Brassinosteroid Signaling and Photomorphogenesis in Arabidopsis. The Plant Cell Aug 2018, tpc.00994.2017; DOI: 10.1105/tpc.17.00994
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西贝老师 撰文
本文系欧易生物原创
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