光既是植物生长的能量来源，也是调控植物整个生长发育过程的重要信号分子。光敏色素（phytochrome）是植物的红光/远红光（600-750 nm）受体，利用共价结合的线性四吡咯环化合物（phytochromobilin，PΦB）作为发色团。光敏色素有红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）两种主要构象形式。在植物中，Pr形式存在于胞质中，在光激活后以Pfr形式转移到细胞核中，继而调节植物整个生长过程。高等植物主要编码以phyA和phyB为代表的两类光敏色素受体。PhyB是介导经典红光/远红光可逆低辐照响应（LFR）或红光高辐照响应（R-HIR）的主要红光受体，而phyA则负责极低辐照响应（VLFR）和远红光高辐照度响应（FR-HIR），因此其具有更高的光敏性。2022年全长phyB的Pr结构在Nature杂志报道，但没有phyA的全长结构影响从分子结构角度对phyA和phyB特定感光性质和植物光敏色素类受体信号转导机制的理解。

     2023年7月25日，王继纵课题组与邓兴旺课题组合作在Cell Research发表了题为Structural insights into plant phytochrome A as a highly sensitized photoreceptor的研究论文，解析了双子叶植物拟南芥AtphyA-Pr，单子叶植物玉米ZmphyA1-Pr以及拟南芥未结合PΦB的phyA（apo-AtphyA）的三种全长蛋白的高分辨率冷冻电镜结构（分辨率依次为3.0 Å，3.3 Å，3.8 Å），结合光谱吸收分析，详细揭示了植物phyA高度光敏感性与生理功能特异性的分子基础。此外，最近来自美国Washington University in St. Louis的Richard D. Vierstra研究组与Van Andel Institute的Huilin Li研究组合作（Burgie et al., Nature Plants 2023），以及来自华中农业大学的殷平研究组（Wang et al., Cell Research 2023），分别独立报道了拟南芥phyA-Pr状态的分子结构，同我们报道的AtphyA-Pr结构一致。

     首先，通过比对AtphyA-Pr和apo-AtphyA（也是第一个apo形式的phy结构）两种形式的结构，发现两者是高度相似的不对称同源二聚体（图1），然而在PΦB结合区域存在显著的差异。Apo-phyA的α5螺旋的Tyr327可与PΦB的D环产生明显的空间位阻，因此，AtphyA-Pr的α5螺旋向外移动，以容纳大部分PΦB并促进它们之间共价键的形成（图1）。此外，这两个结构还对PΦB如何进入其结合口袋提供重要提示。PHY结构域中突出的tongue含有两个与PΦB结合口袋互作的基序：WGG和PRSSF，并在植物phys中，二者之间的开放结构可能形成PΦB的入口。在AtphyA-Pr中，PRSSF基序通过其Phe554的疏水相互作用与GAF的α5螺旋接触，而在apo-AtphyA中，其GAF的α5螺旋则与PRSSF基序距离太近而产生较大的空间位阻。因此，apo-phyA的PHY结构域中tongue的WGG基序下游部分都相较phyA-Pr更无序，从而促进了PΦB进入其结合口袋（图1）。

图1. 拟南芥apo和Pr形式的phyA结构比较（a）和差异细节（b），揭示发色团PΦB组装到phy蛋白的分子机制。

     第二，通过比对AtphyA-Pr和ZmphyA1-Pr（也是第一个作物来源的phy全长蛋白结构）两种形式的结构，发现两者在PΦB结合、二聚体的结构域组织等方面都是高度相似的（图2），这说明了高等植物的phyA在功能机制方面的保守性，但该研究也在蛋白光谱分析中观察到玉米phyA的特殊性，后续研究将进一步探索其中的分子机制。

图2. 拟南芥和玉米Pr形式的phyA结构比较，揭示高等植物phyA功能机制的保守性。

最后，通过比对AtphyA-Pr和之前已被报道的AtphyB-Pr的结构，发现两者最显着的差异在于其C末端HKRD二聚体相对N末端PSM-PAS2四边形平台的倾斜角度不同。AtphyB-Pr的较大倾角(53°)导致HKRD和PSM间发生了充分互作，而AtphyA-Pr的倾角较小(30°)，因此这两个结构域间互作较少（图3）。先前的研究表明，phyA光敏感程度较高且介导VLFR，而将HKRD去掉的AtphyB的光敏性与AtphyA相当。而对于AtphyA，全长AtphyA（AtphyA-FL）和HKRD截短的AtphyA（AtphyA-ΔHKRD）都可以有效地感知低辐照度的红光，表现出类似的光敏性；Pr→Pfr光转化的动力学也表明在AtphyA-ΔHKRD中Pfr构象异构体的比例更高，光转化速率更快（图3）。综上所述，以上结构观察和生化分析为phyA的高度光敏感性提供了合理的解释：生理条件下phy蛋白在Pr-Pfr之间切换中保持动态平衡，而蛋白构象的稳定性促使这种平衡的改变。phyB-Pr形式的HKRD-PSM互作比phyA-Pr中更广泛，表明其构象稳定性更高，而phyA-Pr的较低稳定性更有利于Pr到Pfr的光转换，这将有助于提高phyA的光敏感性。

图3. 拟南芥Pr形式的phyA和phyB结构比较，揭示植物phyA高度光敏感性的分子机制。