2021 年 3 月，上海师范大学杨洪全教授为通讯作者，在 The Plant Cell (IF: 9.618) 杂志发表了题为“Arabidopsis Cryptochrome 1 Controls Photomorphogenesis through Regulation of H2A.Z Deposition”的研究论文，报道了拟南芥光形态建成调控的分子机制。

上海师范大学茅志磊博士为第一作者，文章中酵母文库实验由欧易生物协助完成。

太阳光不仅为植物的光合作用提供能量来源，也是调节许多植物发育过程的关键环境信号。植物可以通过多种光受体监测和响应不同波长、方向和强度的光，其中最早发现的是蓝光受体隐花素 CRYs。拟南芥中 CRYs 有 2 个，其中 CRY1 主要参与调控光形态建成，CRY2 主要参与光周期开花调控（点击查看文章详情）。

H2A.Z 是进化上非常保守的 H2A 组蛋白的变体，在转录调控中起关键作用，H2A.Z 在染色质上的沉积可以改变染色质状态并影响相应基因的表达。H2A.Z 在染色质上的替换主要是由 ATP 依赖的 SWR1 复合物来催化完成。H2A.Z 在染色质上沉积是否参与光信号调控，目前尚未见报道。

本研究通过酵母双杂交筛选，鉴定到 CRY1 可以与 SWR1 复合物关键亚基 SWC6、ARP6 结合，共同以蓝光依赖模式调控 H2A.Z 在染色质的沉积。蓝光激活的 CRY1 可以增强 SWC6 与 ARP6 的相互作用。此外，HY5 也可以与 SWC6、ARP6 结合，将 SWR1 复合物募集到 HY5 靶向位置，调控 HY5 靶基因的表达，进而影响拟南芥下胚轴的伸长。

据此，本研究提出拟南芥光形态建成调控的分子机制：CRY1 通过增强 SWR1 复合物活性和 HY5 介导 SWR1 复合物向 HY5 靶基因的募集，共同促进 H2A.Z 染色质沉积，以调控 HY5 靶基因的表达和蓝光条件下光形态建成。

1. CRY1、CRY2 蓝光依赖性与 SWC6、ARP6 结合

以 CRY1 N 端结构域 CNT1 为诱饵，通过酵母双杂交进行筛选，结果显示 SWC6 可以在蓝光下与 CRY1 相互作用（图 A-C）。同样，酵母双杂交实验显示 CRY2 也可以在蓝光下与 SWC6 相互作用（图 D）。并通过 pull-down、split-LUC、semi-in vivo pull-down、Co-IP 实验（图 E-L）证实 CRY1、CRY2 与 SWC6 的结合是蓝光依赖性的。SWC6 是真核生物中已报道的 SWR1 复合物亚基，负责催化 H2A.Z 在染色质上的替换。

图 1 | CRY1、CRY2 蓝光依赖性与 SWC6 结合

已报道 SWR1 复合物中 SWC6 可以与 ARP6 亚基结合。Pull-down、split-LUC、semi-in vivo pull-down、Co-IP 实验（图 A-H）显示，CRY1、CRY2 可以蓝光依赖性与 ARP6 结合。

图 2 | CRY1、CRY2 蓝光依赖性与 ARP6 结合

2. SWC6、ARP6 和 H2A.Z 共同影响拟南芥表型

下胚轴表型分析显示，与对照相比，swc6 突变体、arp6 突变体在蓝光、红光、远红光条件下的下胚轴明显更长（图 A-H），H2A.Z 突变体表型与之类似（图 I-P）。同时结果显示，在这些突变体中，其叶绿素累积均呈现不同程度的减少，花青素产生显著增加。

以上结果表明，SWC6、ARP6、H2A.Z 可以抑制下胚轴伸长，促进叶绿素累积，并抑制花青素产生。

图 3 | SWC6、ARP6、H2A.Z 在蓝光、红光、远红光下抑制下胚轴伸长

3. 在蓝光下 CRYs、ARP6、HY5 共同同向调控大量基因

为了进一步研究受到 CRYs 和 ARP6 共同调控的目标基因，对 cry1 cry2 双突变体、arp6 突变体进行了转录组测序。其中受到 CRYs 和 ARP6 共同调控的基因中约 74% 被两者同向调控（图 A-C）。

HY5 是一个已知的转录因子，参与多个光受体下游信号传递。对 hy5 hyh 突变体进行转录组测序，结果显示受到 APR6 和 HY5/HYH 共同调控的基因中约 88% 被两者同向调控（图 D-F）。

图 4 | CRYs、ARP6、HY5 共同同向调控大量基因

4. CRYs 介导蓝光增强 H2A.Z 在 HY5 靶基因位置的沉积以促进细胞伸长

ChIP-qPCR 结果显示，在 swc6 或 arp6 突变体中，促进细胞伸长的 HY5 靶基因EXP2、IAA19、XTH33 上 H2A.Z 的沉积显著降低（图 B-D），表明 H2A.Z 的染色质沉积是 SWC6 和 ARP6 依赖的。

同样，cry1 cry2 突变体、hy5 hyh 突变体的 ChIP-qPCR 表明（图 E-J），蓝光下 HY5 靶基因上 H2A.Z 的染色质沉积是 CRYs、HY5/HYH 依赖的。

SWC6 过表达植株中 ChIP-qPCR 显示，SWC6 可以显著富集 HY5 靶基因EXP2、IAA19、XTH33（图 L-M），并且这种结合依赖于 HY5/HYH。

图 5 | ChIP-qPCR 分析 CRYs、ARP6、SWC6 和 HY5/HYH 在调控 H2A.Z 在 HY5 靶基因上沉积中的作用

5. HY5 与 SWC6、ARP6 直接结合

酵母双杂交、GST pull-down 实验显示，SWC6 可以直接与 HY5、HYH 相互作用（图 A-C）。pull-down 实验显示 ARP6 同样可以与 HY5、HYH 相互作用（图 D）。split-LUC、Co-IP 实验证实 HY5 可以与 SWC6、ARP6 结合（图 E-J）。

下胚轴表型分析显示，蓝光下 arp6 hy5 hyh 三突变体下胚轴长度明显大于 arp6 突变体、hy5 hyh 双突变体，表明 ARP6 和 HY5 有可能通过不同途径调控下胚轴的发育。

图 6 | HY5 与 SWC6、ARP6 直接结合

6. 蓝光激活的 CRY1 可能增强 SWC6 和 ARP6 的结合

Semi-in vivo pull-down、Co-IP 实验显示，蓝光下，在 CRY1 存在下，SWC6 与 ARP6 的结合显著增强。表明蓝光激活的 CRY1 可能通过蓝光依赖的 CRY1-SWC6/ARP6 相互作用增强 SWC6 与 ARP6 的结合。

对于 CRY1 调节 H2A.Z 在 HY5 靶基因上的沉积，本研究提出两种可能的途径：CRY1-SWC6/ARP6-HY5 和 CRY1-COP1-HY5。在蓝光下，CRY1 活化，增强 SWC6 和 ARP6 活性，并促进 H2A.Z 在染色质的沉积；同时 CRY1 与 COP1 结合以抑制其活性，促进 COP1 从细胞核向细胞质的易位，使得 COP1 所结合的 HY5 释放并在细胞核内累积，通过 HY5 增强了对 SWR1 复合体的招募。两种途径共同促进 H2A.Z 在染色质的沉积，并最终抑制了 HY5 靶基因的表达和下胚轴伸长。

Mao Z, Wei X, Li L, et al. Arabidopsis Cryptochrome 1 Controls Photomorphogenesis through Regulation of H2A.Z Deposition. Plant Cell 2021; doi: 10.1093/plcell/koab091.