植物光受体的结构域与光化学特性研究进展

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广东农业科学2012年第10期

植物光受体的结构域与光化学特性研究进展

周

峰

211171）

（南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，江苏南京

摘

要：目前，植物光受体的生理功能和信号转导等已有较多报道。主要介绍了根据结构域划分的6种植物光受体：光氧电位

势传感蛋白、视黄质、光敏色素、核黄素蓝光受体、隐花色素和视紫红质在其结构特点和光化学活性方面的最新研究进展，并对其后续发展进行了展望。

关键词：光受体；结构域；光化学特性中图分类号：Q945.11

文献标识码：A

文章编号：1004-874X （2012）10-00234-03

Advances in domain structure and photochemistry

of plant photoreceptors

ZHOU Feng

（School of Biochemical and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China ）

Abstract:There have been many reports about the physiological and signal transduction of plant photoreceptors recently. Six kinds of plant photoreceptors including light oxygen voltage(LOV),xanthopsins, phytochromes, flavin adenine dinucleotide (BLUF),phytochromes and rhodopsins based on domain structure were introduced in this paper. The domain structure characteristics and photochemistry of the six kind plant photoreceptors was emphasized present. And the subsequent development of plant photoreceptors research was prospected in this paper.

Key words:photoreceptors; domain structure; photochemistry

光是植物生长发育中的一个重要的环境信号，它对植物的生长发育、形态建成和新陈代谢具有重要的调控作用。植物光受体的吸收光谱正好吻合照射在地球表面的太阳光谱，从紫外区（200~350nm ）到蓝光区，再到红光和远红光区（620~750nm ）。蛋白质的多肽骨架或氨基酸链并不吸收该区域的可见光，但光受体都含有生色团，它们通过共价键或非共价键与蛋白质相连，吸收光子，通过信号转导调控植物的生长发育等。根据生色团的化学结构和光化学特性，植物光受体可分为6类[1]：光氧电位势传感蛋白（LOV ）、视黄质、光敏色素、核黄素蓝光受体（BLUF ）、隐花色素和视紫红质。除视紫红质外，其余都是水溶性蛋白。其生色团具有的光化学特性的作用方式不同，视黄质、隐花色素和视紫红质通过双键异构化，LOV 传感蛋白通过共价键的形成与断裂，核黄素蓝光受体和光敏色素通过电子传递。光受体有两个特征，一个特征是其结构均为模块化，每个模块都与受体的功能有关；另一个特征是其蛋白模块或蛋白结构域均为共价结合，然后折叠形成受体蛋白[2]。现将其在结构域与光化学特性的研究进展进行总结，以期为植物的光合作用研究提供参考。

收稿日期：2012-02-13

基金项目：江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养项目（2010）；江苏省植物生理学精品课程建设项目（2010）；江苏省现代教育技术研究重点课题（2010）；南京晓庄学院科研项目（2010KYYB15）

作者简介：周峰（1978-），男，博士，副教授，E-mail ：zfibcas@163.

1LOV 传感蛋白

LOV 传感蛋白可与黄素单核昔酸（FMN ）结合后进行磷酸化作用，吸收蓝光。LOV 结构域光受体与其他蓝光受体如BLUF 的区别在于它们含有具有光化学活性的LOV 。目前，在植物体内发现3种光受体含有LOV 结构域，即向光素（phototropins ）、ZEITLUPES （ZTLS ）家族和助色团（aureochromes ）。其中，向光素含有2个LOV 结构域和1个丝氨酸/苏氨酸结构域，调控植物向光性、叶绿体和叶子运动以及气孔开放。ZTLS 光受体家族有3种，即ZTL 、FKF1（flavin -binding kelch repeat f -box1）和LKP2（lovdomain kelch protein2），其蛋白序列都具有1个PAS （Per-ARNT-Sim ）结构域、1个F-box 1和6个重复的kelch 结构域，ZTLS 家族可能是调控生物钟降解反应中的成分。助色团与光形态建成有关，助色团转录因子N-末端具有拉链式DNA 结合区域，C-末端具有LOV 结构域。

LOV 结构域属于传感蛋白的PAS 结构域超家族，此结构对信号转导中蛋白与蛋白间的相互作用起作用。研究结果表明，燕麦（Avena sativa ）向光素1的LOV 结构域中，LOV 结构域形成1个PAS 结构域，PAS 结构域核心中有5个反平行的β片层和多个α-螺旋，FMN 位于中心的β片层和α螺旋所形成的凹穴中[3]。此外，LOV 结构域可与FMN 非共价结合作为生色团，在蓝区吸收1个光子后，在皮秒内从基态跃迁到三线态，然后在微秒内与邻近的1个半胱氨酸和FMN 的C （4a ）共价结合形成发射信号。半胱氨酸结构的形成会导致下游紧固的两性分子α螺旋的释放。而后，LOV-半胱氨酸结构开始慢慢衰变，恢复到受体

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生色团组件各自的基态。近年的研究结果表明，LOV2结构域不像LOV1那样对向光性起决定性作用，没有LOV 的底物酪蛋白可以发生磷酸化, 磷酸化过程不受光影响；含有2个LOV 或仅有LOV2的底物酪蛋白只有在光照条件下才可以被磷酸化[3-5]。

4核黄素蓝光受体

BLUF 光受体结构域的蓝光受体由大约100个氨基

酸残基组成，这种类型的光受体包括了利用黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD ）感受蓝光的光传感器家族。BLUF 主要存在于原核生物中，主要作用是调控光合基因的表达。BLUF 为寡聚体，通常是二聚体，有1个类铁氧化蛋白的核，有5个混合的平行和反平行的β片层和2个与片层保持平行的α螺旋。FAD 位于2个α螺旋形成的裂缝中。

BLUF 结构域可单独起作用也可共价结合参与核苷酸循环中。与LOV 结构域不同的是，BLUF 吸收蓝光后，辅因子FAD 只发生微小的构象变化，很快在亚纳秒级内形成信号状态。基态P 吸收蓝光后，电子从酪氨酸残基传递到黄素环上，引起短寿命的自由基对。这时，侧链上1个谷氨酸残基开始旋转，会把1个电子传递给酪氨酸残基，形成信号状态P red ，信号状态P red 在吸收光谱上有微弱红移。与基态不同的是，信号状态P red 在黄素环上形成1个氢键。无论是在基态还是在信号态，FAD 都处于氧化态。但是，BLUF 光循环的详细过程目前尚不清楚[10]。2009年，核黄素蓝光受体取得突破性研究进展。Barends 等[11]报道了肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae ）BlrP1光受体晶体结构，它包括BLUF 和EAL 磷酸二酯酶结构域，在BLUF 的反平行二聚体结构中，一分子BLUF 通过另外一分子的

2视黄质

具有视黄质结构的典型光受体是光敏黄蛋白（PYP ），

PYP 属水溶性蛋白，是一类小分子量的胞质光受体，由126个氨基酸组成，吸收蓝光。PYP 是代表着一类具有视黄质的光受体，具有4-羟基肉桂酸发色团，它通过硫酯健共价结合在1个半胱氨酸残基上，并位于蛋白的内部。PYP 蛋白的光循环首先是肉桂酸生色团的基态吸收1个光子后，到达电子激发态，然后快速地转换成第1个中间物，通过蛋白质结构在微秒时间范围内重排，形成第2个中间物，最后再由中间物回到基态完成1个光循环[2]。目前，关于视黄质及光敏黄蛋白的研究较少。Ren 等[6]使用7ns 的激光脉冲激发了细菌的PYP ，用时间分辨的劳厄衍射法以高分辨率实时记录了从光激发后1ns 到s 之间的分子演变过程。最近，Ihee 等[2]用100ps 研究了PYP 的异构化作用及其早期的光循环过程。

3光敏色素

光敏色素是红光/远红光受体，它与隐花色素和向光

BLUF 与EAL 结构域相互作用。光诱导的构象变化可能通过结构域感受区得到增强，最终导致光受体四级结构和活性的变化。

素是调节植物光形态建成的最主要的三大光受体。光敏色素通过一个线性的四吡咯环生色团感受红光和远红光。吸收1个光子后，由红光型（Pr ）转换为远红光型（Pfr ），再吸收1个光子后又由Pfr 转换为Pr 。光敏色素分子由N 端的光感受区和C 端的光调节区构成，前者包含3个保守区段，分别是PAS 、GAF （cGMP -specific

5隐花色素

隐花色素广泛存在于植物和动物体内，是一类调节各

phosphodiesterase/adenylatecyclases/formatehydrogen lyase transcription ）和PHY （Phytochrome domain ）结构域，后者含2个PAS 结构域和1个组氨酸激酶类（HK ）作用区[7]。PAS 、GAF 和PHY 所在的中心区域有1个反平行的β片层和1个α-螺旋。它们通过PAS 结构域的N-末端延伸区整合在一起，并且在生色团结合位点趋于汇合。此外，

种反应的蓝光受体，如隐花色素1和2调节生理钟、脱落和花诱导等发育过程。隐花色素也属于黄素蛋白类，它与修复被紫外光照射后受损的DNA 的光裂解酶有很高同源性，但是缺少DNA 修复活性。当然，与DNA 的光裂解酶不同的是，隐花色素还具有一些长度不同的末端片段参与信号转导。隐花色素1和2具有N-端光裂解酶同源序列PHR 和一段C-末端延伸区CCT ，隐花色素3也有一段短的N-末端PHR 。尽管它们的N-末端和C-末端在序列上有所不同，但它们都有3种基序，即DAS 区域（DQXVP-acidic-STAES ），这段区域对隐花色素的功能起重要的调节作用[2,5]。

隐花色素1和3的光传感PHR 结构域与DNA 光裂解酶结构一致，有1个N-末端的α/β结构域，C-末端有1个α螺旋结构域。α/β结构域是由5个螺旋包着的5个β片层平行结构，α螺旋结构域由16个螺旋以“U ”形非共价结合在FAD 生色团上，α/β结构域与α螺旋结构域之间是一段长的疏松结构区。DNA 光裂解酶吸收光后会引起光还原反应，FAD 从氧化态到还原态，电子传递到DNA ，使得FADH ·修复紫外线损伤。与之相比，植物和动物的隐花色素的光化学特性更为复杂，氧化态的FAD 吸收蓝光后，形成中间态FADH ·，此时具有信号转导活性，FADH ·

GAF 和PHY 结构域之间还有1个长的连续螺旋，从而形

成一个螺旋束。生色团中的4个吡咯环在红光和远红光状态均能被光子激活。飞秒和皮秒吸收光谱研究结构显示，在形成光合产物之前，光敏色素存在两种状态，Pr 到

Pfr 的光合产物为Lumi-R ，Pfr 到Pr 的光合产物为Lumi-F 。瞬态质子的吸收和释放还伴随着中间产物Meta-R 和Meta-F 的形成和衰减。但是，目前这些中间产物的结构还不清楚。在pf 和Pfr 转换过程中，生色团构象发生变化，Pr 生色团后，吡咯环D 的C15和C16之间的双键旋转，进行顺反异构化[8]。Ulijasz 等[9]对蓝细菌的光敏色素进行研究，发现Pr 和Pfr 构型转化过程中，生色团接收光子后，是光敏色素A 吡咯环发生转动而不是D 吡咯环，最终导致光敏色素复合体空间结构发生变化，引发一系列的光信号转导反应。

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吸收绿光后，进一步被还原形成FADH ·，这时信号状态消

·重新被氧化成FAD 。近年来，关于DNA 除，最后，FADH

光裂解酶和隐花色素的报道很多[12-13]。两者虽然在结构上相似，但功能不同。隐花色素PHR 无光裂解酶活性，光裂

解酶修复从细菌到动植物许多物种DNA 的紫外线损伤。而隐花色素调节植物的生长发育，是生物钟与糖代谢系统的关键节点。DNA 光裂解酶和隐花色素还可与DNA 底物相结合，这为研究基因修复中的电子和能量传递提供基础。

[2][3][4][5][6]

一个很大挑战。未来，植物高分辨率的光受体结构研究及与光受体相互作用的其他组份的分离鉴定研究将成为热点。

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6视紫红质

与上述5种光受体不同，视紫红质不是水溶性蛋白而

是一种内在蛋白，其感光是通过与赖氨酸残基共价结合的视色素生色团，形成一种质子化的希夫碱。长期以来，视紫红质被认为是与动物视觉有关的光受体，最近的研究表明，在微生物和藻类中也存在[2]。但目前缺少高分辨率的植物视紫红质结构研究，对它的认识大多来自微生物视紫红质，如细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin, BR ）。一

个完整的细菌视紫红质分子是由1个视蛋白和被包围的视黄醛生色团构成。视黄醛生色团的构象分为全反式和

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B-顺式。在光照射下，细菌视紫红质分子发生光循环，此时视黄醛发生由全反式构象到B-顺式的光异构化。此过程中，质子从胞内泵出胞外，细菌视紫红质分子经过一系列中间态后复构返回初态。植物视紫红质和微生物视紫红质在结构上有很多相似性。微生物的视紫红质属于一类7个螺旋跨膜蛋白，7个α螺旋通过1个横跨膜的环连接，像一个“桶”状结构，视色素的生色团就嵌在中间。近年来发现了一种与BR 同源的具有光驱质子泵功能的视紫红质，即变形菌视紫红质（Proteorhodopsin, PR ）。PR 有光驱动质子泵功能，在可见光照射后，视蛋白利用视黄醛捕获的光能作为动力，把质子从细胞质泵到周质间隙，在细胞膜两侧形成质子梯度[15]。2010年，Koh 等[16]在南极发现了α型变形杆菌、γ型变形杆菌和拟杆菌属的PR ，对冰海水域微生物的能量代谢起到一定的作用。这反映了PR 的细菌具有高度的生物多样性。

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7结语

近几年，光受体的鉴定、结构和光化学反应研究活跃，

尤其是DNA 技术的快速发展为发现光受体新成员提供可能。微生物蛋白作为研究光受体结构、光化学特性和信号转导系统的模式系统是非常重要的。尽管微生物与植物在光化学反应的初级阶段有许多相似性，但在下游水平却不同，比如在不同细胞组份、组织和发育阶段的作用不同。所以，植物光受体分子水平和生理水平上的研究将是

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