COP1調控光形態建成中轉錄因子的穩定性
Stabilizing the Transcription Factors by E3 Ligase COP1
期刊：Trends in Plant Science
(Published online: October 5, 2017)
影響因子：11.911
通訊作者：施慧
單位：首都師範大學
導讀
光形態建成由兩組轉錄因子相反調節。COP1可降解正調節因子，但可穩定負調節因子以抑制光形態建成。COP1可作為E3連接酶降解底物。最近的兩項研究揭示了COP1穩定負調控轉錄因子的分子機制。
圖1. COP1調控光形態建成中轉錄因子蛋白穩定性的模式圖。
陸生植物幼苗在地下黑暗環境中生長時採用稱為暗形態建成的發育策略。此環境下幼苗表現出長的下胚軸、彎曲的頂端鉤和封閉的子葉。這種形態有助於幼苗快速向土壤表面生長，並可保護脆弱的分生組織免受機械損傷。一旦幼苗突破土壤表面，光誘導其從暗形態建成轉變至光形態建成，包括抑制下胚軸伸長、頂端展開和子葉開放。
COP1最初通過擬南芥的遺傳篩選鑒定，其隱性突變體在黑暗中表現出組成型光形態建成。COP1蛋白含有三個蛋白質-蛋白質互作結構域：N末端的RING指區、中心捲曲螺旋結構域以及C末端的七個WD40重複區。探究COP1分子功能的重大突破即發現COP1為E3泛素連接酶，可介導光形態建成過程中正調控轉錄因子的蛋白水解。大量研究表明，COP1可以自由形式作為功能性E3連接酶或作為COP1-SPA-CUL 4複合體的一部分。在複合體中，核心組分SPA蛋白可直接與COP1相互作用並增強COP1的E3連接酶活性。黑暗條件下，COP1可與正調控光形態建成的轉錄因子，如HY5和HYH直接相互作用，並通過26S蛋白酶體進行蛋白質泛素化與降解（圖1）。相比之下，COP1已被證實可顯著地穩定抑制光形態建成的轉錄因子，如光敏色素互作因子（PIF）和EIN3/EIL1。因此，COP1在抑制光形態建成過程中起核心作用。然而，COP1穩定負調控轉錄因子的分子機制在很大程度上是未知的。
最近研究發現，黑暗條件下COP1可以非蛋白水解方式穩定PIF3。之前的研究表明，黃化的cop1-4幼苗中幾乎檢測不到內源PIF3蛋白。Ling等發現類GSK3激酶BIN2在COP1調節的PIF3蛋白質周轉中起重要作用。內源和重組PIF3蛋白在功能獲得突變體bin2-1中顯著降解，而在功能缺失三突變體bin2-3 bil1 bil2中PIF3積累較為豐富。四突變體cop1-4 bin2-3 bil1 bil2則回復了PIF3蛋白水平（從cop1-4中幾乎檢測不到回復至野生型相當的水平），表明BIN2及其同源物作用於COP1下游以穩定PIF3。研究發現通過BIN2磷酸化PIF3對COP1穩定PIF3是必需的。Ling等推斷COP1-SPA複合體可干擾BIN2-PIF3的相互作用，從而穩定了PIF3蛋白。酵母雙雜交和體外pull-down實驗表明，SPA1、BIN2可與PIF3的相同區域相互作用，而COP1隻與BIN2相互作用，而不與PIF3互作。體外與體內實驗進一步揭示了COP1和SPA1可抑制BIN2-PIF3的互作以及BIN2介導的PIF3磷酸化[10]（圖1）。這些研究結果表明，COP1-SPA1複合體通過阻斷BIN2介導的PIF3磷酸化與降解以穩定PIF3，其中COP1結合BIN2，而SPA競爭性地干擾PIF3與BIN2之間的相互作用。本研究發現了一種新機制，即COP1作為阻斷劑以非蛋白水解方式穩定光形態建成的負調節因子。
雖然EIN3與PIF3在抑制光形態建成方面的功能類似，但之前我們提出了一種不同的COP1穩定EIN3模式。遺傳分析表明，co1-4突變體中過表達EIN3回復了cop1-4在暗形態建成（子葉開放和擴展）和出苗方面的缺陷，表明EIN3對COP1具上位性。此外，COP1可通過調節EIN3蛋白的穩定性而非轉錄水平以促進其積累。為研究COP1如何穩定EIN3，已進行大量生化實驗，結果如下：（1）COP1可與細胞核中的EBF1及EBF2相互作用；（2）COP1可在體外泛素化EBF1/2；（3）COP1通過26S蛋白酶體降解EBF1/2蛋白。因此，COP1、EBF1/2和EIN3組成了一個E3泛素連接酶調控模塊，該模塊可使EIN3蛋白在黑暗條件下保持較高水平；隨著幼苗向上生長至土壤表面逐漸減少（圖1）。這種精細的E3泛素連接酶調控模塊可確保有效和精確地調節靶蛋白水平。
結語
長期以來，研究人員已發現COP1可直接靶向光形態建成的正調節因子，以泛素化和降解蛋白質。本文重點提及的兩項研究提出了COP1 的「阻斷因子模式」和「串聯E3泛素連接酶模塊」新作用模式，以揭示COP1如何穩定光形態建成負調節因子的分子機制。COP1通過阻斷PIF3與其激酶BIN2的相互作用以穩定PIF3。此外，COP1可作為EIN3 E3連接酶EBF1/2的E3連接酶以穩定EIN3。
未來仍有一些問題待繼續研究，如：
（1）COP1如何靶向特定途徑的不同底物？線索之一是WD40重複結構域已被證明介導COP1和光形態建成正調節因子的相互作用，而COP1通過RING指及捲曲螺旋結構域與EBF1/2相互作用。蛋白複合體結晶與結構測定等新的實驗策略將有助於更好地了解COP1的多功能機制。
（2）這兩項研究的COP1非經典模式的關係是什麼？最近的兩項研究揭示，EBF1和EBF2可與PIF3相互作用並介導光誘導的PIF3蛋白降解[11,12]。黃化苗是否同樣採用COP1-EBF1/2-PIF3串聯的E3連接酶級聯來穩定PIF3丰度是非常吸引人的課題。因此，探討COP1是否通過兩種途徑穩定底物或在某些條件下通過一種特定模式將是有趣的。
（3）SPA在COP1非經典模式中的作用是什麼？對於串聯的E3泛素連接酶模塊，SPA是否參與仍不甚清楚。對於阻斷因子模式，spaQ突變體表明，SPA蛋白介導BIN2磷酸化PIF3。此外，蛋白質-蛋白質互作分析表明，SPA1，而非全長COP1，可與PIF3相互作用。然而，在體外磷酸化實驗中，COP1可降低BIN2介導的PIF3磷酸化，而不需要SPA1。因此，需要進一步研究以闡明SPA的作用。
附：
COP1: CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1;
SPA: SUPPRESSOR of phyA-105;
CULLIN: CULLIN;
HY5: ELONGATED HYPOCOTYL 5;
HYH: HY5 HOMOLOG;
PIF: PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR;
EIN: ETHYLENE INSENSITIVE;
BIN: BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE.
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