La structure du phytochrome A d'Arabidopsis révèle une diversification topologique et fonctionnelle parmi les isoformes des photorécepteurs végétaux

Nature Plantes (2023)Citer cet article

3 Altmétrique

Détails des métriques

Les plantes utilisent une cohorte divergente de photorécepteurs phytochromes (Phy) pour régir de nombreux aspects de la morphogenèse par photointerconversion réversible entre les conformères Pr inactifs et Pfr actifs. Les deux plus influents sont PhyA dont la rétention de Pfr permet une sensation de faible luminosité, tandis que l'instabilité relative de Pfr pour PhyB le rend plus adapté à la détection du plein soleil et de la température. Pour mieux comprendre ces contrastes, nous avons résolu, par cryo-microscopie électronique, la structure tridimensionnelle de PhyA pleine longueur comme Pr. Comme PhyB, PhyA se dimérise par assemblage tête-à-tête de ses domaines liés à l'histidine kinase C-terminale (HKRD), tandis que le reste s'assemble en une plate-forme tête-bêche sensible à la lumière. Alors que la plate-forme et les HKRD s'associent de manière asymétrique dans les dimères PhyB, ces connexions déséquilibrées sont absentes dans PhyA. L'analyse de la troncature et des mutants dirigés sur le site a révélé que ce découplage et cet assemblage de plate-forme altéré ont des conséquences fonctionnelles sur la stabilité Pfr de PhyA et souligne comment la diversification structurelle Phy des plantes a étendu la perception de la lumière et de la température.

Ceci est un aperçu du contenu de l'abonnement, accès via votre établissement

Accédez à Nature et à 54 autres revues Nature Portfolio

Obtenez Nature+, notre abonnement d'accès en ligne au meilleur rapport qualité-prix

29,99 $ / 30 jours

annuler à tout moment

Abonnez-vous à cette revue

Recevez 12 numéros numériques et un accès en ligne aux articles

119,00 $ par année

seulement 9,92 $ par numéro

Louer ou acheter cet article

Obtenez uniquement cet article aussi longtemps que vous en avez besoin

39,95 $

Les prix peuvent être soumis à des taxes locales qui sont calculées lors du paiement

Les données sources pour tous les graphiques de réversion thermique Pfr → Pr dans les Fig. 5–7 sont fournis dans le tableau supplémentaire 2. Des images de gels SDS – PAGE complets sont fournies dans la Fig. 3 supplémentaire. base de données sous le code d'accession EMD-28870. La plate-forme affinée par mise au point et les cartes HKRD à une résolution moyenne de 3, 1 Å et 3, 4 Å, respectivement, ont été déposées dans la base de données EMDB sous les codes d'accession EMD-28871 et EMD-28872. La carte 3D composite a été déposée dans la base de données EMDB sous le code d'accession EMD-28869, et son modèle atomique correspondant est disponible dans la base de données RCSB sous le code PDB 8F5Z. Cette étude a utilisé plusieurs structures protéiques accessibles au public pour Phys et les histidine kinases émettrices qui ont été obtenues à partir de la base de données RCSB (http://www.rcsb.org) sous les codes d'accès 2VEA, 6TC5, 6TC7, 6TL4, 4U7O et 7RZW. Les données sources sont fournies avec ce document.

Legris, M., Ince, YC & Fankhauser, C. Mécanismes moléculaires sous-jacents à la morphogenèse contrôlée par le phytochrome chez les plantes. Nat. Commun. 10, 5219 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Burgie, ES & Vierstra, RD Phytochromes : une perspective atomique sur la photoactivation et la signalisation. Cellule végétale 26, 4568–4583 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Franklin, KA & Quail, PH Phytochrome fonctionne dans le développement d'Arabidopsis. J. Exp. Bot. 61, 11-24 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Legris, M. et al. Le phytochrome B intègre les signaux de lumière et de température chez Arabidopsis. Sciences 354, 897–900 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jung, JH et al. Les phytochromes fonctionnent comme des thermocapteurs chez Arabidopsis. Sciences 354, 886–889 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Burgie, ES et al. Différentes propriétés biophysiques sous-tendent les potentiels de signalisation uniques au sein des familles de phytochromes végétaux. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 118, e2105649118 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rockwell, NC & Lagarias, JC Évolution du phytochrome en 3D : suppression, duplication et diversification. Nouveau phytol. 225, 2283-2300 (2020).

Article PubMed Google Scholar

Isaksson, L. et al. Mécanisme de signalisation des phytochromes en solution. Structure 29, 151–160.e3 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Burgie, ES et al. Interconversion photoréversible d'un module photosensible phytochrome à l'état cristallin. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 117, 300–307 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Carrillo, M. et al. Structures cristallines à haute résolution d'intermédiaires transitoires dans le photocycle du phytochrome. Structure 29, 743–754.e4 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Takala, H. et al. Amplification et transduction du signal dans les photocapteurs phytochromes. Nature 509, 245-248 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Burgie, ES, Zhang, J. & Vierstra, RD La structure cristalline du phytochrome de Deinococcus à l'état photoactivé révèle une cascade de réarrangements structurels lors de la photoconversion. Structure 24, 448–457 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Anders, K., Daminelli-Widany, G., Mroginski, MA, von Stetten, D. & Essen, LO La structure du photocapteur du phytochrome 2 cyanobactérien implique un commutateur tryptophane pour la signalisation du phytochrome. J. Biol. Chim. 288, 35714–35725 (2013).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Etzl, S., Lindner, R., Nelson, MD et Winkler, A. Conception guidée par la structure et caractérisation fonctionnelle d'une guanylate/adénylate cyclase artificielle régulée par la lumière rouge pour des applications optogénétiques. J. Biol. Chim. 293, 9078–9089 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gourinchas, G. et al. Signalisation allostérique à longue portée dans les diguanylyl cyclases régulées par la lumière rouge. Sci. Adv. 3, e1602498 (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Multamaki, E. et al. L'analyse comparative de deux bactériophytochromes paradigmatiques révèle des fonctionnalités opposées dans la signalisation à deux composants. Nat. Commun. 12, 4394 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Auldridge, ME & Forest, KT Phytochromes bactériens : plus que rencontre la lumière. Crit. Rév. Biochem. Mol. Biol. 46, 67–88 (2011).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bhoo, SH, Davis, SJ, Walker, J., Karniol, B. et Vierstra, RD Les bactériophytochromes sont des histidine kinases photochromiques utilisant un chromophore biliverdine. Nature 414, 776–779 (2001).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yeh, KC, Wu, SH, Murphy, JT & Lagarias, JC Un système sensoriel de lumière à deux composants phytochrome cyanobactérien. Sciences 277, 1505-1508 (1997).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, FW et al. Diversité des phytochromes chez les plantes vertes et origine des phytochromes canoniques des plantes. Nat. Commun. 6, 7852 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Elich, TD & Chory, J. Phytochrome : s'il ressemble et sent comme une histidine kinase, est-ce une histidine kinase ? Cellule 91, 713–716 (1997).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, H., Burgie, ES, Gannam, ZTK, Li, H. & Vierstra, RD Plant phytochrome B est un dimère asymétrique avec un potentiel de signalisation unique. Nature 604, 127-133 (2022).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yeh, KC & Lagarias, JC Phytochromes eucaryotes : sérine/thréonine kinases régulées par la lumière d'ascendance histidine kinase. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 95, 13976–13981 (1998).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Matsushita, T., Mochizuki, N. & Nagatani, A. Les dimères du domaine N-terminal du phytochrome B sont fonctionnels dans le noyau. Nature 424, 571-574 (2003).

Article CAS PubMed Google Scholar

Krall, L. & Reed, JW Le domaine lié à l'histidine kinase participe à la fonction du phytochrome B mais est indispensable. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 97, 8169–8174 (2000).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Boylan, MT & Quail, PH Les phytochromes sont-ils des protéines kinases ? Protoplasme 195, 12-17 (1996).

Article CAS Google Scholar

Oka, Y. et al. Analyse fonctionnelle d'un fragment N-terminal de 450 acides aminés du phytochrome B chez Arabidopsis. Cellule végétale 16, 2104–2116 (2004).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ni, W. et al. Un mécanisme de destruction mutuellement assuré atténue la signalisation lumineuse chez Arabidopsis. Sciences 344, 1160-1164 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pham, VN, Kathare, PK & Huq, E. Phytochromes et facteurs d'interaction phytochromes. Physique Végétale. 176, 1025-1038 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Burgie, ES, Bussell, AN, Walker, JM, Dubiel, K. & Vierstra, RD Structure cristalline du module photosensible d'un phytochrome végétal absorbant la lumière rouge/rouge lointain. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 111, 10179–10184 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nagano, S. et al. Aperçus structurels de la photoactivation et de la signalisation dans les phytochromes végétaux. Nat. Plantes 6, 581–588 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cai, Y. et al. Dynamique conformationnelle du capteur essentiel histidine kinase WalK. Acta Crystallogr. D 73, 793–803 (2017).

Article CAS Google Scholar

Diensthuber, RP, Bommer, M., Gleichmann, T. & Moglich, A. La structure pleine longueur d'un capteur histidine kinase identifie les bobines enroulées coaxiales comme transducteurs et modulateurs de signal. Structure 21, 1127-1136 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Wang, C. et al. Aperçus mécanistes révélés par la structure cristalline d'une histidine kinase avec des domaines de transducteur de signal et de capteur. PLoS Biol. 11, e1001493 (2013).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Casino, P., Rubio, V. & Marina, A. Aperçu structurel de la spécificité du partenaire et du transfert de phosphoryle dans la transduction du signal à deux composants. Cellule 139, 325-236 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yang, J. et al. Amélioration de la prédiction de la structure des protéines à l'aide des orientations inter-résidus prédites. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 117, 1496-1503 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Burgie, ES et al. La photodétection et la thermodétection par le phytochrome B nécessitent des caractéristiques allostériques proximales et distales dans le photorécepteur dimérique. Sci. Rep. 7, 13648 (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, X. et al. Mécanisme de signalisation lumineuse de deux bactériophytochromes en tandem. Structure 23, 1179-1189 (2015).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wagner, JR, Brunzelle, JS, Forest, KT & Vierstra, RD Un nœud sensible à la lumière révélé par la structure du domaine de liaison au chromophore du phytochrome. Nature 438, 325–331 (2005).

Article CAS PubMed Google Scholar

Essen, LO, Mailliet, J. & Hughes, J. La structure d'un module sensoriel phytochrome complet dans l'état fondamental Pr. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 105, 14709–14714 (2008).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, X., Kuk, J. & Moffat, K. Structure cristalline du bactériophytochrome de Pseudomonas aeruginosa : photoconversion et transduction du signal. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 105, 14715–14720 (2008).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Maloof, JN et al. Variation naturelle de la sensibilité à la lumière d'Arabidopsis. Nat. Genet. 29, 441–446 (2001).

Article CAS PubMed Google Scholar

Shin, AY et al. Preuve que le phytochrome fonctionne comme une protéine kinase dans la signalisation lumineuse des plantes. Nat. Commun. 7, 11545 (2016).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Oka, Y. et al. Le phytochrome A d'Arabidopsis est structuré de manière modulaire pour intégrer les multiples caractéristiques requises pour un phytochrome hautement sensibilisé. Cellule végétale 24, 2949-2962 (2012).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nagano, S. et al. Les structures cristallines du module central photosensible N-terminal du phytochrome Agp1 d'Agrobacterium sous forme de dimères parallèles et antiparallèles. J. Biol. Chim. 291, 20674–20691 (2016).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Woitowich, NC et al. Base structurale du contrôle lumineux du développement cellulaire révélée par les structures cristallines d'un phytochrome myxobactérien. IUCrJ 5, 619–634 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Burgie, ES et al. Les analyses cristallographiques et microscopiques électroniques d'un phytochrome bactérien révèlent des réarrangements locaux et globaux lors de la photoconversion. J. Biol. Chim. 289, 24573–24587 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huang, H. et al. PCH1 régule la lumière, la température et la signalisation circadienne en tant que composant structurel des photocorps du phytochrome B chez Arabidopsis. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 116, 8603–8608 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Golonka, D. et al. Déconstruire et réorienter l'interaction régulée par la lumière entre les phytochromes d'Arabidopsis et les facteurs en interaction. Commun. Biol. 2, 448 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kikis, EA, Oka, Y., Hudson, ME, Nagatani, A. & Quail, PH Les résidus regroupés dans le nœud de détection de lumière du phytochrome B sont nécessaires pour la liaison spécifique au conformère au partenaire de signalisation PIF3. PLoS Genet. 5, e1000352 (2009).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Gibson, DG et al. Assemblage enzymatique de molécules d'ADN jusqu'à plusieurs centaines de kilobases. Nat. Méthodes 6, 343–345 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Wagner, JR et al. L'analyse mutationnelle du bactériophytochrome de Deinococcus radiodurans révèle les principaux acides aminés nécessaires à la photochromicité et au cycle d'échange de protons des phytochromes. J. Biol. Chim. 283, 12212–12226 (2008).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zheng, SQ et al. MotionCor2 : correction anisotrope du mouvement induit par le faisceau pour une cryomicroscopie électronique améliorée. Nat. Méthodes 14, 331–332 (2017).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rohou, A. & Grigorieff, N. CTFFIND4 : estimation rapide et précise de la défocalisation à partir de micrographies électroniques. J. Structure. Biol. 192, 216-221 (2015).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Fernandez-Leiro, R. & Scheres, SHW Une approche pipeline pour le traitement d'une seule particule dans RELION. Acta Crystallogr. D 73, 496–502 (2017).

Article CAS Google Scholar

Sanchez-Garcia, R. et al. DeepEMhancer : une solution d'apprentissage en profondeur pour le post-traitement des volumes cryo-EM. Commun. Biol. 4, 874 (2021).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Punjani, A. & Fleet, DJ Analyse de la variabilité 3D : résolution de la flexibilité continue et de l'hétérogénéité discrète à partir d'une seule particule cryo-EM. J. Structure. Biol. 213, 107702 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pettersen, EF et al. UCSF Chimera - un système de visualisation pour la recherche exploratoire et l'analyse. J. Comput. Chim. 25, 1605–1612 (2004).

Article CAS PubMed Google Scholar

Emsley, P., Lohkamp, ​​B., Scott, WG & Cowtan, K. Caractéristiques et développement de Foulque. Acta Crystallogr. D 66, 486-501 (2010).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liebschner, D. et al. Détermination de la structure macromoléculaire par rayons X, neutrons et électrons : développements récents dans Phenix. Acta Crystallogr. D 75, 861–877 (2019).

Article CAS Google Scholar

Williams, CJ et al. MolProbity : des données de référence plus nombreuses et de meilleure qualité pour une meilleure validation de la structure de tous les atomes. Protéine Sci. 27, 293–315 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Goddard, TD et al. UCSF ChimeraX : relever les défis modernes en matière de visualisation et d'analyse. Protéine Sci. 27, 14-25 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Gasteiger, E. et al. dans The Proteomics Protocols Handbook (éd. Walker, JM) 571–607 (Humana Press, 2005).

Télécharger les références

Les données Cryo-EM ont été recueillies sur un microscope Titan Krios à la David Van Andel Cryo-Electron Microscopy Suite à l'Institut Van Andel. Nous remercions G. Zhao et X. Meng pour l'aide à la collecte de données EM, H. Zaher pour l'aide avec les dosages de kinase et C. Sherman pour l'assistance technique. Ce travail a été financé par les subventions R01 des National Institutes of Health des États-Unis GM127892 et GM127892-05 (à RDV) et GM131754 (à Huilin Li), et par des fonds fournis par l'Université de Washington à St. Louis (à RDV) et l'Institut Van Andel (à Huilin Li).

Katrice E. McLoughlin

Adresse actuelle : Burning Rock Dx, Irvine, Californie, États-Unis

Ces auteurs ont contribué à parts égales : E. Sethe Burgie, Hua Li, Zachary TK Gannam.

Département de biologie, Université de Washington à St. Louis, St. Louis, MO, États-Unis

E. Sethe Burgie, Zachary TK Gannam, Katrice E. McLoughlin et Richard D. Vierstra

Département de biologie structurale, Institut Van Andel, Grand Rapids, MI, États-Unis

Hua Li et Huilin Li

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

ESB, Hua Li, ZTKG, RDV et Huilin Li ont conçu les expériences. Hua Li a effectué la cryo-EM et la reconstruction 3D. ESB et Hua Li ont construit et affiné les modèles atomiques. ESB, ZTKG et KEM ont exprimé et purifié les échantillons Phy assemblés et ont effectué la mutagenèse et les essais spectroscopiques. ESB, Hua Li, ZTKG, Huilin Li et RDV ont rédigé le manuscrit.

Correspondance à Richard D. Vierstra ou Huilin Li.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Plants remercie Andreas Möglich, Xiaojing Yang et les autres évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

a, analyse SDS-PAGE de la PhyA pleine longueur recombinante. Les gels ont été soit colorés pour les protéines avec du bleu de Coomassie (à gauche), soit dosés pour le PΦB lié par fluorescence induite par le zinc (à droite). MM, étalons de masse moléculaire. Les échantillons étaient identiques à ceux décrits par Burgie et al.6 b, spectres d'absorbance UV-vis de PhyA. Les spectres ont été collectés à partir d'échantillons adaptés à l'obscurité (Pr) ou après irradiation saturante avec une lumière rouge à 630 nm (RL, principalement Pfr). Les maxima d'absorption ont été déterminés à partir du spectre de différence représenté à une amplitude de 70 %. Le SCR à 664/723 nm est indiqué entre parenthèses. Les spectres étaient la moyenne de trois répétitions techniques. c, flux de travail utilisé pour le traitement des données des images cryo-EM de PhyA. Dans la première carte globale raffinée à une résolution de 3, 5 Å basée sur 421 969 particules, presque tous les domaines PhyA étaient bien vus, à l'exception des régions englobant les domaines PAS1, qui étaient mal résolues. Des raffinements ciblés, excluant les domaines PAS1 et utilisant la soustraction de signal pour les régions PSM, PAS2 et HKRD, ont généré une carte de 3, 2 Å avec une certaine ambiguïté dans les HKRD. L'utilisation ultérieure de masques séparés pour les HKRD et la plate-forme a conduit à des cartes EM améliorées de 3, 1 Å et 3, 4 Å pour la plate-forme et les HKRD, respectivement, qui ont été combinées pour générer la carte composite finale du dimère. La 3DVA d'images de particules sous-échantillonnées à 4, 14 Å par pixel a résolu l'un des domaines PAS1 flexibles (violet) à une résolution d'environ 15 Å. d, Une micrographie cryo-EM représentative après correction de mouvement est montrée. Au total, les données de 6 195 micrographies indépendantes ont été utilisées pour la construction de la carte. e, Moyennes de classe 2D sélectionnées montrant plusieurs vues des particules.

a, La carte de consensus EM 3D et la plate-forme individuelle affinée et les cartes HKRD codées par couleur par résolution locale. b, distribution angulaire eulérienne des images de particules brutes utilisées dans la reconstruction 3D finale. c, Corrélation en coquille de Fourier standard (FSC) de deux demi-cartes (courbe orange) et corrélation du modèle atomique et de la carte 3D composite finale (courbe violette).

La carte est représentée en maillage gris tandis que les modèles 3D des motifs/résidus sont représentés en dessins animés/bâtonnets et colorés comme sur la Fig. 1e. Les panneaux ac incluent PΦB (bâtons rouges) pour mettre en évidence la proximité avec le chromophore. Les résidus clés sont indiqués. a, Nœud lasso s'étendant du domaine GAF pour encercler l'extension N-terminale (NTE) juste en amont du domaine nPAS. b, Résidus 69–81 comprenant une partie du NTE près du lasso à nœud qui atteint près du chromophore. c, vues orthogonales de l'épingle à cheveux s'étendant du domaine PHY pour contacter le domaine GAF près du chromophore. d, La boucle modulatrice s'étendant entre les domaines PAS1 et PAS2 pour interagir avec le domaine PHY de son propre protomère. e, Les domaines DHp appariés au sein du HKRD. Les hélices α1 et α2 sont indiquées. La caractéristique cruciforme à l'intérieur de l'hélice α1 est localisée par les crochets. Le résidu 905 (R905), qui est normalement occupé par une histidine dans les histidine kinases transmettrices, est mis en évidence par l'ovale rouge. f, Vues rapprochées des connexions entre le domaine PAS2 du protomère B et les domaines nPAS et GAF du protomère A au sein du dimère. g, prédiction structurelle du pli PAS1 par TrRosetta (à gauche) et congruence de cette prédiction (gris) avec les modèles cryo-EM des domaines PAS2 (au centre) et nPAS de PhyA (à droite) représentés en couleur. Les extrémités N- et C-terminales sont indiquées. Pour les panneaux (e) et (f), le squelette peptidique est représenté en dessin animé, tandis que les chaînes latérales d'acides aminés sont en bâtonnets. Les désignations principales identifient les résidus du protomère B.

Les interconnectivités complexes des domaines au sein du PSM sont présentées dans les trois premières vues. Les quatrième et cinquième vues mettent en évidence la connexion du domaine boucle modulatrice (Mod)/PHY, qui fournit un lien structurel intra-protomère avec le PSM, et leur connectivité aux caractéristiques du domaine épingle à cheveux, hélice hélicoïdale et PAS2. La sixième vue montre la moitié de l'interface dimérique du HKRD impliquant les hélices a des domaines DHp et CA. Les résidus clés sont indiqués ; les désignations principales indiquent celles du protomère B.

a, Schémas des contacts. Les régions en interaction sont représentées dans le contexte de leurs configurations en hélice a, en brin ß ou en boucle. Les diagrammes de gauche mettent en évidence les interactions interprotomères HKRD entre les domaines DHp et CA. Les diagrammes de droite mettent en évidence les interactions entre les domaines HKRD (cyan/sarcelle) et GAF (vert) et PHY (orange) au sein de la plate-forme. Les lignes localisent les résidus spécifiques impliqués dans les contacts prédits ; indiqués sont les connexions trouvées dans PhyA, PhyB ou les deux. (A) et (B) font référence aux protomères A et B dans le dimère, respectivement. Les numérotations des acides aminés correspondent à celles trouvées dans PhyA ou PhyB. Certains brins ou hélices sont inclus pour le contexte structurel mais ne participent pas aux interactions. b, alignement de séquence des régions dans AtPhyA et AtPhyB participant aux contacts indiqués en (a). Les acides aminés identiques et similaires sont respectivement colorés dans des cases noires et grises. Les barres ci-dessus délimitent les caractéristiques α-hélicoïdales (rouge) et β-brin (bleu). Les cercles verts ci-dessous identifient des acides aminés spécifiques qui participent aux contacts indiqués en (a).

a, Organisation des domaines des troncatures PhyA et NTE pleine longueur (FL) à partir des résidus 25 (NΔ24) et 66 (NΔ65). La longueur du NTE a été allongée pour plus de clarté. Les lignes rouges en pointillés représentent l'interaction de PΦB avec les résidus NTE Tyr-70 et Ile-74. b, Taux de réversion thermique de FL PhyA et de son PSM portant les troncatures NTE NΔ24 et NΔ65. Les points de données et les lignes d'ajustement représentatifs de trois répliques techniques sont présentés (voir le tableau de données étendu 2 pour les analyses statistiques). Sont également incluses les données de réversion thermique Pfr → Pr pour les fragments PSM d'Arabidopsis PhyA avec des troncatures NTE comparables, remesurées ici pour être complètes, voir aussi Burgie et al.6. Étant donné que les taux de réaction diffèrent par des ordres de grandeur, les taux sur deux échelles de temps sont indiqués : panneau de gauche, 120 min ; panneau de droite, 1200 min. Les gels SDS-PAGE et les spectres d'absorption et de différence Pr-Pfr pour les préparations sont présentés dans les figures supplémentaires. 1 et 2.

a, Vues orthogonales de la région HKRD CA de At PhyA superposées avec la même région de At PhyB (code d'identification PDB 7RZW22) et l'émetteur de marche procaryote HK de Lactobacillis plantarum (Lp) (code d'identification PDB 4U7O32). b et c, Modèles montrant la position prédite de l'ADP (rouge) dans le domaine At PhyA CA basé sur la poche de liaison décrite dans Lp WalK32. Les résidus censés participer à la liaison sont indiqués en (b). L'ADP entre en conflit avec plusieurs résidus dans la poche de ce modèle PhyA-ATP prédit, indiquant que des changements conformationnels dans At PhyA induits par l'ATP ou la photoactivation seraient nécessaires pour la liaison. Les sites avec des conflits substantiels sont encerclés. d, Alignement de la séquence d'acides aminés de la possible poche de liaison à l'ATP de At PhyA et At PhyB avec des domaines CA comparables de véritables histidine kinases de Bacillus subtilis (Bs YFI), Thermotoga maritima (Tm HK853), L. plantarum (Lp Walk) et Streptococcus mutans (Sm Vick), et avec ceux de la bactérie Phys (BphPs) à activité HK/phosphatase de Pseudomonas syringae (Ps BphP)18 et Deinococcus radiodurans (Dr BphP)16. Les acides aminés identiques et similaires sont respectivement colorés dans des cases noires et grises. Les boîtes de signature N, G1/D, F et G2 et le couvercle ATP pour les histidine kinases sont indiqués32. Les pointes de flèche localisent les résidus clés dans la poche de liaison à l'ATP qui sont essentiels à la catalyse32. par exemple, At PhyA est une kinase médiocre par rapport à Ps BphP sur la base d'essais d'autophosphorylation. Des quantités équimolaires de biliprotéines recombinantes ont été incubées pendant 1 min à 2 h à température ambiante (~ 24 ° C) avec 150 μM d'ATP additionné de 10 μCi de [γ-32P] -ATP, désactivé avec un tampon d'échantillon SDS-PAGE et mesuré pour Incorporation de 32P par autoradiographie de gels SDS-PAGE. e, évolution temporelle de l'autophosphorylation de Ps BphP en tant que Pfr. f, comparaisons des activités d'autophosphorylation de At PhyB en tant que Pr et Pfr avec celles de Ps BphP après 2 heures d'incubation. Les pointes de flèche localisent Ps BphP. Les balayages du phosphorimager sont représentatifs de trois expériences indépendantes. g, Images des gels SDS-PAGE colorés pour la protéine avec du bleu de Coomassie ou pour la biline liée par fluorescence induite par le zinc.

Tableau supplémentaire 1 et Figs. 1–3.

Film du dimère PhyA pleine longueur résolu à une résolution moyenne de 3,2 Å. Le film montre d'abord une carte EM rotative suivie d'une vue de dessin animé rotative du modèle résultant. Les domaines NTE, nPAS, GAF, PHY avec épingle à cheveux, PAS2 avec modulateur et HKRD sont respectivement en gris/noir, bleu clair/foncé, vert clair/foncé, jaune/orange, rose/magenta et cyan clair/sarcelle. PΦB représenté en bâtonnets rouges.

Le HKRD d'Arabidopsis PhyA ne forme pas de contacts forts non covalents avec la plate-forme. 3DVA a été utilisé pour aider à décrire le mouvement du HKRD par rapport à la plate-forme dans PhyA. En utilisant cette procédure, 20 cartes EM ont été générées en faisant la moyenne des trames de structures similaires comme indiqué dans le graphique. Nous montrons quatre vues orthogonales de la carte EM de PhyA pour suivre le mouvement des domaines. Les positions des domaines sont indiquées, y compris celles du domaine PAS1, qui apparaît à proximité des domaines PHY et PAS2 au sein de la plate-forme. Les numéros de carte sont indiqués en haut à gauche.

Les données source pour la chromatographie d'exclusion de taille, les spectres UV-vis et les tracés de la cinétique de réversion thermique dans les Fig. 5–7.

Springer Nature ou son concédant (par exemple une société ou un autre partenaire) détient les droits exclusifs sur cet article en vertu d'un accord de publication avec le ou les auteurs ou autre(s) titulaire(s) des droits ; l'auto-archivage par l'auteur de la version manuscrite acceptée de cet article est uniquement régi par les termes de cet accord de publication et la loi applicable.

Réimpressions et autorisations

Burgie, ES, Li, H., Gannam, ZTK et al. La structure du phytochrome A d'Arabidopsis révèle une diversification topologique et fonctionnelle parmi les isoformes des photorécepteurs végétaux. Nat. Plantes (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01435-8

Télécharger la citation

Reçu : 14 décembre 2022

Accepté : 10 mai 2023

Publié: 08 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41477-023-01435-8

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt