Nature Plants | 突破！上海师大杨洪全组揭示蓝光调控DNA修复新的途径

光信号是重要的环境因子，它通过光受体介导的信号转导途径来调控植物的生长发育。隐花色素(cryptochrome, CRY)作为介导蓝光信号的光受体在植物中调控光形态建成、光周期开花、气孔发育和开放，以及生物节律等重要生理过程。在动物及季节性迁徙的候鸟和昆虫中，CRY分别参与调控生物钟和感知地球磁场提供飞行导航。生物体在生长发育过程中因不断受到各种内源性和外界环境因素的诱导，从而导致DNA的损伤，其中产生的双链断裂DNA (DNA double-strand break, DSB)是最严重的DNA损伤。该种损伤影响染色体的稳定性，并严重威胁遗传信息准确、稳定的传递。到目前为止，蓝光信号及CRYs是否参与DSB的修复尚不清楚。

2023年7月24日，上海师范大学杨洪全团队在Nature Plants发表了题为“Photoexcited cryptochromes interact with ADA2b and SMC5 to promote the repair of DNA double-strand breaks in Arabidopsis”的研究论文（https://www.nature.com/articles/s41477-023-01461-6），报道了拟南芥CRY促进DSB修复的功能及其分子调控机制。

拟南芥蓝光受体隐花素CRY包括CRY1和CRY2，它们分别通过与COP1/SPAs、CIBs、SWC6/ARP6、PIFs、Aux/IAAs、ARFs、BES1、GID1和DELLAs等多种蛋白的直接互作来介导蓝光信号对光形态建成、光周期开花，以及植物激素信号和温度响应的调控。CRY的N端与光裂解酶（photolyase）高度同源，先前的工作表明CRY不具有修复UV-B诱导产生的嘧啶二聚体的光裂解酶活性。最近有研究表明拟南芥CRY能够参与嘧啶二聚体的修复，而非DSB的修复。DSB的修复主要有两种途径：非同源末端连接(nonhomologous end joining, NHEJ)和同源重组(homologous recombination, HR)。染色体结构维持蛋白复合体5/6 (Structural Maintenance of Chromosome 5/6，SMC5/6) 通过HR在DSB修复中发挥关键作用。SMC5/6等修复相关因子在DSB位点的聚集是DSB成功修复的必要条件。在拟南芥中，DSB位点附近产生的diRNA通过介导AGO2-diRNA的定位，进而接连招募RNA结合蛋白IDN2等蛋白，从而形成IDN2-CDC5-ADA2b复合物，并由最终由ADA2b介导SMC5/6复合体向DSB位点的招募。

在该研究中，作者为了寻找新的CRY1相互作用蛋白，通过酵母双杂交筛库筛选到了ADA2a。拟南芥编码两个ADA2蛋白：ADA2a和ADA2b，它们具有很高的氨基酸序列相似性。在酵母中，CRY1和CRY2分别通过其N端与ADA2a和ADA2b相互作用。鉴于拟南芥ADA2b及其在酵母和果蝇中的同源蛋白均参与DNA损伤的响应，该研究开展了CRY与ADA2b互作介导蓝光信号参与DSB修复的功能及分子机制的探索。作者通过一系列蛋白互作实验证明了CRY与ADA2b的相互作用，并发现该互作具有蓝光依赖性。作者进一步检测了CRY缺失对植物响应DNA损伤的影响。在蓝光下，cry1 cry2与ada2b均表现出根显著变短、生长严重受阻，以及根分生组织细胞显著减少的表型。彗星实验分析表明，这两个突变体表现出严重的DNA损伤积累。作者还发现，随着蓝光信号的增强，野生型植株对紫外光C (UV-C)照射导致的DNA损伤的修复随之增强，而cry1 cry2突变体中的DNA损伤无论在低光强还是高光强蓝光下都不能得到修复。此外，还发现在蓝光下cry1 cry2与ada2b突变体对DSB损伤诱导剂MMS和Zeocin处理的敏感性显著增强。这些结果表明，CRY1和CRY2介导蓝光信号对DNA损伤的修复。

CRY1和CRY2的缺失导致在蓝光下发生DNA的损伤

由于ADA2b通过招募SMC5到DSB位点在DNA修复过程中发挥作用，作者观察了CRY在DSB的定位，及其缺失对ADA2b及SMC5定位到DSB的影响。作者利用免疫荧光实验，发现在蓝光下MMS处理后的拟南芥幼苗细胞中，通过抗体标记的内源CRY1蛋白及外源表达的GFP-CRY2融合蛋白均能够与DSB位点的标志物γ-H2AX共定位。这表明在蓝光下CRY1和CRY2能够在DSB位点富集。作者进一步分别在野生型和cry1 cry2双突变背景过量表达YFP-ADA2b，来探索CRY1和CRY2是否影响ADA2b在DSB位点的加载。结果表明，在蓝光下MMS诱导后野生型背景和cry1 cry2双突变背景中的YFP-ADA2b均形成大量的核内斑点，暗示CRY1和CRY2并不影响ADA2b在DSB位点的加载。由于ADA2b通过招募SMC5在DSB修复过程中发挥作用，作者构建了分别在野生型和cry1 cry2双突变背景过量表达SMC5-YFP的植株，来探索CRY1和CRY2是否影响ADA2b对SMC5的招募。结果表明，只有在蓝光条件下，MMS能诱导野生型中的SMC5-YFP形成核内斑点，而在黑暗下则不能。有意思的是，无论在蓝光还是黑暗条件下，MMS均不能诱导cry1 cry2双突变中的SMC5-YFP形成核内斑点。这表明SMC5被招募到DSB位点是依赖于蓝光和CRY的。

作者进一步通过一系列蛋白互作实验发现CRY与SMC5也发生蓝光依赖性的互作，而蓝光激活的CRY够增强SMC5与ADA2b的互作，由此来促进ADA2b对SMC5向DSB位点的招募，从而促进DSB的修复。

蓝光激活的CRY通过促进ADA2b对SMC5的招募来促进DSB修复的模型图

Nature Plants同期发表了题为“A light switch for DNA break repair”的专家点评。评论称这项研究为植物中光触发途径的进化发展提供了非凡的见解，研究揭示了光受体、SAGA复合体和SMC5/6复合体之间的相互联系，揭示了一条DNA修复调控新的途径。这种复杂的机制使植物主动准备和应对潜在的威胁以保护其遗传物质。值得注意的是，参与这一途径的所有蛋白质都表现出高度的进化保守性，暗示在其他物种中也可能存在这一调控机制。

上海师范大学青年教师郭彤彤博士为该论文的第一作者，杨洪全教授为通讯作者，研究生刘敏箐和陈丽，以及上海交通大学副教授黎凌博士等共同参与了这项工作。该工作得到了国家自然科学基金委和上海市重点实验室项目的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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