我校生命科學(xué)學(xué)院楊洪全教授團(tuán)隊(duì)長期從事光信號調(diào)控植物生長發(fā)育的機(jī)理研究。萬物生長靠太陽，光是最重要的環(huán)境信號之一，它不僅是植物光合作用的能量來源，也是植物生長發(fā)育的決定性信號。對光信號調(diào)控植物生長發(fā)育機(jī)理的研究對于揭示植物特有生命現(xiàn)象的本質(zhì)以及指導(dǎo)作物育種等具有重要意義。該團(tuán)隊(duì)先后獲得國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目和集成項(xiàng)目，以及國家重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目的資助。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人及成員在Cell、Nature Plants、Genes & Development、Plant Cell和PNAS等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了系列具有重要創(chuàng)新性的研究論文。

光信號是重要的環(huán)境因子，它通過光受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來調(diào)控植物的生長發(fā)育。隱花色素(cryptochrome, CRY)作為介導(dǎo)藍(lán)光信號的光受體在植物中調(diào)控光形態(tài)建成、光周期開花、氣孔發(fā)育和開放，以及生物節(jié)律等重要生理過程。在動物及季節(jié)性遷徙的候鳥和昆蟲中，CRY分別參與調(diào)控生物鐘和感知地球磁場提供飛行導(dǎo)航。生物體在生長發(fā)育過程中因不斷受到各種內(nèi)源性和外界環(huán)境因素的誘導(dǎo)，從而導(dǎo)致DNA的損傷，其中產(chǎn)生的雙鏈斷裂DNA (DNA double-strand break, DSB)是最嚴(yán)重的DNA損傷。該種損傷影響染色體的穩(wěn)定性，并嚴(yán)重威脅遺傳信息準(zhǔn)確、穩(wěn)定的傳遞。到目前為止，藍(lán)光信號及CRYs是否參與DSB的修復(fù)尚不清楚。

7月24日，上海師范大學(xué)楊洪全團(tuán)隊(duì)在Nature Plants發(fā)表了題為“Photoexcited cryptochromes interact with ADA2b and SMC5 to promote the repairof DNA double-strand breaks in Arabidopsis”的研究論文（https://www.nature.com/articles/s41477-023-01461-6），報(bào)道了擬南芥CRY促進(jìn)DSB修復(fù)的功能及其分子調(diào)控機(jī)制。

擬南芥藍(lán)光受體隱花素CRY包括CRY1和CRY2，它們分別通過與COP1/SPAs、CIBs、SWC6/ARP6、PIFs、Aux/IAAs、ARFs、BES1、GID1和DELLAs等多種蛋白的直接互作來介導(dǎo)藍(lán)光信號對光形態(tài)建成、光周期開花，以及植物激素信號和溫度響應(yīng)的調(diào)控。CRY的N端與光裂解酶（photolyase）高度同源，先前的工作表明CRY不具有修復(fù)UV-B誘導(dǎo)產(chǎn)生的嘧啶二聚體的光裂解酶活性。最近有研究表明擬南芥CRY能夠參與嘧啶二聚體的修復(fù)，而非DSB的修復(fù)。DSB的修復(fù)主要有兩種途徑：非同源末端連接(nonhomologous end joining, NHEJ)和同源重組(homologous recombination, HR)。染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白復(fù)合體5/6 (Structural Maintenance of Chromosome 5/6，SMC5/6) 通過HR在DSB修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。SMC5/6等修復(fù)相關(guān)因子在DSB位點(diǎn)的聚集是DSB成功修復(fù)的必要條件。在擬南芥中，DSB位點(diǎn)附近產(chǎn)生的diRNA通過介導(dǎo)AGO2-diRNA的定位，進(jìn)而接連招募RNA結(jié)合蛋白IDN2等蛋白，從而形成IDN2-CDC5-ADA2b復(fù)合物，并最終由ADA2b介導(dǎo)SMC5/6復(fù)合體向DSB位點(diǎn)的招募。

在該研究中，為了尋找新的CRY1相互作用蛋白，通過酵母雙雜交篩庫篩選到了ADA2a。擬南芥編碼兩個ADA2蛋白：ADA2a和ADA2b，它們具有很高的氨基酸序列相似性。在酵母中，CRY1和CRY2分別通過其N端與ADA2a和ADA2b相互作用。鑒于擬南芥ADA2b及其在酵母和果蠅中的同源蛋白均參與DNA損傷的響應(yīng)，該研究開展了CRY與ADA2b互作介導(dǎo)藍(lán)光信號參與DSB修復(fù)的功能及分子機(jī)制的探索。通過一系列蛋白互作實(shí)驗(yàn)證明了CRY與ADA2b的互作依賴于藍(lán)光。該研究進(jìn)一步檢測了CRY缺失對植物響應(yīng)DNA損傷的影響。發(fā)現(xiàn)在藍(lán)光下，cry1 cry2與ada2b突變體均表現(xiàn)出根顯著變短、生長嚴(yán)重受阻，以及根分生組織細(xì)胞顯著減少的表型。彗星實(shí)驗(yàn)分析表明，這兩個突變體表現(xiàn)出嚴(yán)重的DNA損傷積累。隨著藍(lán)光光強(qiáng)的增強(qiáng)，野生型植株對紫外光C (UV-C)照射導(dǎo)致的DNA損傷的修復(fù)隨之增強(qiáng)，而cry1 cry2突變體中的DNA損傷無論在低光強(qiáng)還是高光強(qiáng)藍(lán)光下都不能得到修復(fù)。此外，還發(fā)現(xiàn)在藍(lán)光下cry1 cry2與ada2b突變體對DSB損傷誘導(dǎo)劑MMS和Zeocin處理的敏感性顯著增強(qiáng)。這些結(jié)果表明，CRY1和CRY2介導(dǎo)藍(lán)光信號對DNA損傷的修復(fù)。

CRY1和CRY2的缺失導(dǎo)致在藍(lán)光下發(fā)生DNA的損傷

由于ADA2b通過招募SMC5到DSB位點(diǎn)在DNA修復(fù)過程中發(fā)揮作用，該研究分析了CRY在DSB的定位，及其缺失對ADA2b及SMC5定位到DSB的影響。利用免疫熒光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在藍(lán)光下MMS處理后的擬南芥幼苗細(xì)胞中，通過抗體標(biāo)記的內(nèi)源CRY1蛋白及外源表達(dá)的GFP-CRY2融合蛋白均能夠與DSB位點(diǎn)的標(biāo)志物γ-H2AX共定位。這表明在藍(lán)光下CRY1和CRY2能夠在DSB位點(diǎn)富集。進(jìn)一步分別在野生型和cry1 cry2雙突變背景過量表達(dá)YFP-ADA2b，來探索CRY1和CRY2是否影響ADA2b在DSB位點(diǎn)的加載。結(jié)果表明，在藍(lán)光下MMS誘導(dǎo)后野生型背景和cry1 cry2雙突變背景中的YFP-ADA2b均形成大量的核內(nèi)斑點(diǎn)，暗示CRY1和CRY2并不影響ADA2b在DSB位點(diǎn)的加載。由于ADA2b通過招募SMC5在DSB修復(fù)過程中發(fā)揮作用，該研究構(gòu)建了分別在野生型和cry1 cry2雙突變背景過量表達(dá)SMC5-YFP的植株，來探索CRY1和CRY2是否影響ADA2b對SMC5的招募。結(jié)果表明，只有在藍(lán)光條件下，MMS能誘導(dǎo)野生型中的SMC5-YFP形成核內(nèi)斑點(diǎn)，而在黑暗下則不能。有意思的是，無論在藍(lán)光還是黑暗條件下，MMS均不能誘導(dǎo)cry1 cry2雙突變中的SMC5-YFP形成核內(nèi)斑點(diǎn)。這表明SMC5被招募到DSB位點(diǎn)是依賴于藍(lán)光和CRY的。

該研究進(jìn)一步通過一系列蛋白互作實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CRY與SMC5也發(fā)生藍(lán)光依賴性的互作，而藍(lán)光激活的CRY能夠增強(qiáng)SMC5與ADA2b的互作，由此來促進(jìn)ADA2b對SMC5向DSB位點(diǎn)的招募，從而促進(jìn)DSB的修復(fù)。

藍(lán)光激活的CRY通過促進(jìn)ADA2b對SMC5的招募來促進(jìn)DSB修復(fù)的模型圖

Nature Plants同期發(fā)表了題為“A light switch for DNA break repair”的專家評述。評述稱這項(xiàng)研究為植物中光觸發(fā)途徑的進(jìn)化發(fā)展提供了非凡的見解，研究揭示了光受體、SAGA復(fù)合體和SMC5/6復(fù)合體之間的相互聯(lián)系，揭示了一條DNA修復(fù)調(diào)控新的途徑。這種復(fù)雜的機(jī)制使植物主動準(zhǔn)備和應(yīng)對潛在的威脅以保護(hù)其遺傳物質(zhì)。值得注意的是，參與這一途徑的所有蛋白質(zhì)都表現(xiàn)出高度的進(jìn)化保守性，暗示在其他物種中也可能存在這一調(diào)控機(jī)制。

上海師范大學(xué)青年教師郭彤彤博士為該論文的第一作者，楊洪全教授為通訊作者，研究生劉敏箐和陳麗，以及上海交通大學(xué)副教授黎凌博士等共同參與了這項(xiàng)研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和上海市植物分子科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。

（供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）