植物开花调控的关键机制：CONSTANS蛋白多聚化激活FLOWERING LOCUS T的分子基础
作者及机构
本研究由Xiaolin Zeng（北京大学-清华大学生命科学联合中心、中国科学院分子植物科学卓越创新中心）、Xinchen Lv（南方科技大学生物系）、Rui Liu等共同完成，通讯作者为Yuehui He（北京大学）和Jiamu Du（南方科技大学）。研究成果于2022年3月发表于Journal of Integrative Plant Biology (JIPB)，标题为《Molecular basis of CONSTANS oligomerization in FLOWERING LOCUS T activation》。
学术背景
研究领域：植物光周期调控开花机制。
科学问题：植物通过光周期（昼夜长度变化）感知季节变化，调控开花时间。拟南芥中，转录因子CONSTANS（CO）是光周期信号传导的核心蛋白，通过激活成花素基因FLOWERING LOCUS T (FT)的表达诱导开花。尽管已知CO的C端CCT结构域与核因子NF-YB/YC形成复合物识别FT启动子，但其N端B-box结构域介导的多聚化机制及其生物学功能尚不明确。
研究目标：
1. 解析B-box结构域的多聚化分子机制；
2. 阐明CO多聚化对FT激活的功能必要性；
3. 验证FT启动子中多个TGTG顺式元件的作用。
研究流程与方法
1. B-box结构域的晶体结构解析
- 研究对象：拟南芥CO蛋白的N端B-box结构域（B-boxesCO，残基11-110）及其同源蛋白COL2的B-box结构域。
- 方法：
- 蛋白表达与纯化：在大肠杆菌中表达带SUMO或MBP标签的蛋白，通过镍柱亲和层析和凝胶过滤纯化。
- 晶体生长与数据收集：使用坐滴气相扩散法结晶，在上海同步辐射光源（SSRF）BL19U1线站收集衍射数据（分辨率2.7 Å）。
- 结构解析：因晶体孪晶问题，先解析COL2-B-boxes结构（2.1 Å），再作为分子置换模型解析CO-B-boxes结构。
- 关键发现：
- B-boxesCO形成头尾相连的线性多聚体，每个B-box含两个锌指（CCCC型和CDHH型），后者介导多聚化界面（图1, 2）。
- 突变关键残基（如E64R/E67R或D35C/H57C/D78C/H100C）破坏多聚化（图2f）。
2. CO多聚化的功能验证
- 遗传学实验：
- 转基因拟南芥：在co突变体中回补野生型CO、B-box缺失突变体（COΔ1–130）或B-box替换为人类p53四聚化域的嵌合体（CO-p53TD）。
- 表型分析：CO-p53TD可挽救co突变体的晚花表型，而B-box缺失或界面突变体无效（图4b, c），表明多聚化是CO功能的核心。
- 生化实验：
- SEC-MALS（尺寸排阻色谱-多角度光散射）：B-boxesCO主要形成三聚体/四聚体，而单B-box或界面突变体呈单体（图2f）。
3. FT启动子顺式元件的作用
- GUS报告系统：
- 构建含8.1 kb FT启动子（含4个TGTG元件：core1/core2/p1/p2）的GUS转基因植株，分别突变各元件。
- 结果：单个TGTG突变降低GUS表达，四重突变几乎完全抑制表达（图3c, d），表明CO需结合多个TGTG以激活FT。
主要结果与逻辑关联
- 结构生物学：B-boxesCO通过CDHH锌指形成头尾多聚体，为后续功能实验提供结构基础。
- 遗传与生化：多聚化界面突变破坏CO功能，而p53TD替换可恢复功能，证明多聚化是CO激活FT的必要条件。
- 分子互作：CO-NF-Y复合物通过多聚化协同结合FT启动子的多个TGTG元件，增强转录激活效率。
结论与意义
科学价值：
1. 首次揭示CO通过B-box介导的多聚化实现FT启动子的高效结合，阐明了光周期开花的核心分子机制。
2. 提出“多聚化-协同结合”模型：CO多聚体像“分子夹子”同时抓取多个TGTG元件，放大光周期信号（图S6）。
应用潜力：
1. 为作物花期改良提供靶点（如通过调控CO多聚化设计早熟品种）。
2. CDHH锌指的保守性暗示其在其他B-box蛋白（如BBX19/30/31）中的调控功能。
研究亮点
- 结构创新：解析首个植物B-box多聚体晶体结构，发现独特的CDHH锌指介导机制。
- 方法学：结合SEC-MALS定量多聚化状态与遗传互补实验，严谨验证功能关联。
- 理论突破：提出CO多聚化是光周期信号整合的“分子放大器”。
其他价值：
- 发现CO抑制因子（如BBX19）可能通过竞争性结合B-box干扰多聚化，为花期调控网络提供新视角。
（注：文中所有专业术语首次出现时标注英文，如尺寸排阻色谱-多角度光散射（SEC-MALS）、CCCC/CDHH锌指等。）