Science Advances | 研究揭示植物病原菌的光生物学及其潜在致病机制！

作物的黑腐病会对经济植物的产量和生产造成灾难性的后果。野油菜黄单胞菌是黑腐病的主要原因，它通过延缓几个由光介导的生物过程而发挥作用。在这种生物延缓的背后是一个复杂的信号级联，由专门的蛋白质（如光敏素）来平衡。光敏素对介导植物的生长和发育非常重要，它就像光的开关：它们监测落在植物上的光，并触发反应，如避免阴凉。它们的结构被组织成模块，当它们吸收两种特定波长的光（所谓的 "红光"和 "远红光"）时，会相互作用并改变形状。这是植物对光的反应中的一个关键因素。自从它们被发现以来，植物色素也在蓝细菌、非氧细菌和真菌中被分离出来。

科学家们花了几十年的时间试图了解黄单胞菌的致病能力，希望能解开该细菌的感染过程和生命周期的机理细节，并找出治疗黑腐病的方法。目前研究的主要方向之一是了解负责这些过程的生物角色的结构，包括光敏素。然而，光敏素是一个具有挑战性的目标，因为它们有一个模块结构，当它们感应到光线时，它们的模块变得灵活，蛋白质在被观察时也会改变形状。

2021年11月24日，国际权威学术期刊Science Advances发表了由阿根廷Leloir研究所的Hernán Bonomi教授团队的最新相关研究成果，题为Structural basis for the Pr-Pfr long-range signaling mechanism of a full-length bacterial phytochrome at the atomic level的研究论文。揭示了光敏素感知的长距离信号是如何产生和传播的。该团队是一个大型国际合作项目，包括来自阿根廷、法国和德国的研究人员。

世界各地的一些研究团队对在分子水平上了解光敏素表现出兴趣，并解决了来自各种生物的大量光敏素结构。然而，尽管文献中报道了大量的结构信息，但该蛋白的柔性结构却难以确定。最重要的未解决问题是在光转化过程中，在光敏素内观察到的长程结构变化是如何从其光感应模块传播到其"效应蛋白模块"的。当它收到信号时，效应蛋白模块就会呈现出理想的形状，以启动一连串的反应，调节细菌对光的反应。这个问题难以捉摸，主要是因为已知的光敏素结构是截断的--迄今为止，在激活和非激活的光态下，还没有报道过全长的光敏素结构。

在他们的论文中，研究小组提出了黄单胞菌中光敏素光传感器的完整特征，在其关键的光敏状态（激活和未激活）。此外，光诱导的构成蛋白质模块的形状变化被描述到原子尺度的分辨率，首次在这个光感受器家族中突出了二级、三级和四级的显著结构重排。通过将这些结果与生化和计算研究相结合，提出了一个新的光激活模型，解释了信号机制，从发色团（蛋白质内能够接收红色和"远红"光并启动形状变化信号的区域）的化学结构变化，到不仅是模块之间相互作用的重塑，还有蛋白质的组装方式。该研究结果对光生物学以及对细菌在植物中的致病性机制，特别是对黑腐病的理解都有意义。

图1. 计算出的XccBphP变体黑暗转换的动力学参数

图2. G454E变体在体内恢复了依赖光的黄原胶生产表型

图3. XccBphP变体在Pr和Pfr状态下的晶体结构

图4. XccBphP变体在Pr和Pfr状态下的三级结构的整体比较

图5. 全长Pr和Pfr结构之间的发色团结合袋周围的结构重排和螺旋的重新配置

图6. 全长Pr和Pfr结构之间的PHY-OM螺旋连接体和OMs的大规模构象变化

图7. XccBphP全长Pr和Pfr结构显示了不同的四级排列

图8. 溶液中的实验验证了野生型全长XccBphP的头到尾排列

图9. XccBphP光电转换模型

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