全面从绿藻到高等植物的系统发育来揭示UV-B光感受器UVR8的保护功能外文翻译资料

全面从绿藻到高等植物的系统发育来揭示UV-B光感受器UVR8的保护功能

玛丽亚B.费尔南德斯，Vanesa Tossi，洛伦佐拉马蒂娜和劳尔Cassia*

研究所的生物研究学院、自然科学和自然,国立大学北海银——国家研究委员会科学技术,北海银,阿根廷

紫外线-B（UV-B）存在于日光下（280-315 nm），对生物体有不同的影响。 低通量的曝光率诱导了由UV-B反应位点UVR8受体调节的特定的光形态发生反应。 UVR8首先在拟南芥中被描述。 在缺乏刺激的情况下，它位于细胞质中作为同型二聚体。 然而，在UV-B辐射后，它转换成单体并通过UVR8beta;螺旋桨结构域和VP核心与泛素连接酶E3 COP1相互作用。 这诱导了转录因子HY5的表达，导致与UV-B适应和应激耐受有关的基因表达发生了改变。 UVR8通过色氨酸残基来感知UV-B，最重要的是Trp233和285。 基于对UVR8功能重要基序的比较和分析，我们报告了UVR8的全面系统发育，试图鉴定UVR8同源物和可能起源该基因的原始有机体。 获得的结果显示，叶绿素是第一个出现UVR8的viplantae组的生物体。 UVR8存在于绿藻，苔藓植物，石松和被子植物中。 所有被鉴定的序列含有色氨酸233和285，精氨酸参与同源二聚化，VP域表明它们是真正的UVR8光感受器。 我们还确定，一些来自苔藓植物和被子植物的物种含有多于一个的UVR8基因拷贝，所以提出UVR8是否可以构成这些物种中的基因家族。 综上所述，我们描述了从绿藻到高等植物的UVR8蛋白的功能保护。

关键词：UVR8，UV-B，植物，系统进化分析，进化保护

UVR8作用机制与进化保护

紫外线-B（UV-B）辐射存在于日光下（280-315 nm）。 高剂量的UV-B可能会破坏包括DNA在内的大分子，并诱导活性氧（ROS）的产生，影响细胞完整性和活力（JoJordan, 1996;Brosche Strid,2003;Frohnmeyer和Staiger，2003).

由于UV-B在水柱中的渗透率低于陆地环境(Rozema et al,2002)，在水生植物向陆生植物过渡期间，避免UV-B损伤的机制已经发生了变化。 随着UV-B的增加，对DNA和光系统II具有潜在的损害，UV-B受体对于保护光合生物挥防御反应是必要的（Tilbrook等人, 2013).

图1 | AtUVR8同源物在生命之树中的图解表示。 说明UVR8基因进化的真核生命树和Viridiplantae组的示意图。 箭头指示Viridiplantae分支中UVR8光感受器的起源。 在每个组的名称后面的括号中标出了识别该蛋白质的分类单元。这张照片是由Jeandroz et al.(2016)和Rensing(2016)拍摄的。

太古代地球上的紫外线辐射水平比目前水平高出几个数量级（Cnossen等人, 2007）。 古代光合生物如蓝细菌和各种真核藻类，包括一些绿藻成员，具有类似于真菌的氨基酸（MAAs），它们是UV-B保护器（Rozema等人, 2002; 卢埃林和阿列尔, 2010; Rastogi 和Incharoensakdi, 2013）。 陆生植物可以通过UV-B吸收多酚化合物的演变，从而可以与环境UV-B水平共同进化，其复杂性从藻类增加到高等植物（Rozema等人, 2002).

低UV-B能量密度是一种信号刺激，其调节各种代谢和发育过程并诱导由特定UV-B受体UV-B应答基因座8（UVR8）调节的光形态反应。这是UVR8首次在拟南芥中报道。（Favory等人,2009; 里齐尼等人,2011; 克里斯蒂等人,2012; Heijde和乌尔姆, 2012; Wu等人, 2012; 黄等人.2014).

在没有刺激时，UVR8作为同型二聚体位于细胞质中。UV-B辐射后，UVR8变成单体形式并与泛素连接酶E3 COP1相互作用，避免了长形下胚轴5（HY5）的转录因子的降解。HY5上调了与UV-B适应和应激耐受相关的基因的表达（Heijde and Ulm, 2012）。 此外，此外，这些基因中有两种是UV-B光形态发生1和2（RUP1和RUP2）的蛋白质阻遏物。当UVR8与RUP1和RUP交互时，它会切换。

一些进化重建的UVR8系统发育已经被报道，但是他们使用的UVR8的假定序列来自少数物种(Wu et al.2012;Tilbrook et al ,2013)。在这里，我们报告了一个更全面的UVR8系统发育，试图找出这个基因可能起源的原始有机体。 我们还分析了UVR8功能重要基序的存在，以确定UVR8假定同源性。

使用AtUVR8蛋白一级序列AAD43920.1作为模板来对来自NCBI的Viridiplantae数据库执行PSI-BLASTp。 检索的序列与MAFFT对齐1 并且使用BMGE 1.12软件进行来自多序列比对的系统发生信息区域的选择（Criscuolo和Gribaldo)最后，使用PHYML 3.0软件进行了系统树的研究（Guindon等人, 2010).图1 显示了UVR8系统发育树(以最大似然法补充图S1为详细的系统发育重建）。 所获得的结果表明，叶绿素 UVR8是来自Viridiplantae组的最早支化成员，其包含了淡水单细胞生物的生长因子，Coccomyxa subsoidea C-169，小球藻、单胞菌、衣原体和衣原体，以及多细胞物种Volvox carteri f. nagariensis(图1;补充图S1)。UVR8同源物也存在于苔藓植物(苔藓植物)中， 在无核的维管植物中也发现了苔藓虫(Lycophyte)(图1;补充图S1)。在种子植物中，UVR8同系物广泛存在，UVR8同源物在单子叶间有明显的分离。从单体到二聚体，导致UVR8失活(Heijde和乌尔姆,2012)。查看(Ulm和Jenkins, 2015)。和最大似然推断树中所示的双子叶（补充图S1）。

没有发现裸子植物的UVR8同系物，无论是在Viridiplantae数据库中，还是在银杏，苏铁，扎马，Chamaecyparis，柳杉，台湾，Gnetum，千岁兰和Pinus的个别部分序列中均未发现。 这可能是由于裸子植物物种缺乏完整的基因组序列。

负责UV-B感知的关键氨基酸

紫外线UV-B抵抗8是第一个光感受器，它用假体色团来描述光。 相反，UVR8中的UV-B感知由色氨酸残基介导的(O Hara和Jenkins, 2012;乌尔姆和詹金斯,2015).

图8在UVR8有14个色氨酸残基。 每个UVR8单体在叶片5,6和7中含有保守的五肽重复Gly-Trp-Arg-His-Thr（GWRHT）。该基序产生紧密排列的色氨酸三联体（W233，W285和W337），这是UV-B感光的关键，W285是主要的UV-B传感器(Christie et al. 2012;吴et al .2012;曾庆红et al .2015)。 W233在光感受和维持激子耦合方面也很重要，而W337起辅助作用（克里斯蒂等人, 2012;吴 等人,2012）。 来自blade 6的“GWRHT”主题可能是最重要的，因为它包含W285。 补充图S2显示，除了来自Medicago truncatula的UVR8基因的一份拷贝外，该主题在所有的UVR8同源基因中都是保守的.此外，几种双子叶植物如大豆，黄豆，豇豆，Phaseolus vulgaris，苜蓿和Cicer arietinum通过丝氨酸具有苏氨酸的保守错义突变（图2; 补充图S2）。 另外，在叶绿体Coccomyxa subellipipidea C-169，Volvox carteri f中，在来自叶片5的“GWRHT”基序也中观察到相同的突变。莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii），多形小球藻（Chlorella variabilis）和忽略小单胞菌（Monoraphidium neglectum）（图2; 补充图S2）。 叶片7的“GWRHT”图案在所有物种中都是守恒的分析，除了菲尼克斯和Medicago truncatula(图2;补充图S2)。 特别地，小球藻有一种保守的精氨酸，用于赖氨酸的取代和生长激素的突变，在相同的母题(补充图S2)中，对丝氨酸的一种突变。

在UVR8的同源物中的，GWRHT”基序和色氨酸残基揭示了本研究中鉴定的大多数蛋白质都是真正的UVR8光感受器。 为了验证它，我们分析了其他UVR8特性作为C27结构域的存在（涉及UVR8-COP1相互作用）和预测的UVR8同源二聚化。

“VP”域：UVR8-COP1相互作用中的关键氨基酸

UVR8与COP1的紫外线UV-B依赖性相互作用是UV-B信号传导中的关键事件（Heijde和Ulm, 2012; 刘等人, 2013; 詹金斯, 2014）。这种相互作用发生在两个方面：（1）以UV-B依赖的方式通过UVR8的UVR8beta;螺旋桨结构域，WD40重复COP1的结构域，和（2）通过“VP”以组成型UV-B独立方式（ Val-Pro）核心存在于UVR8 C27结构域（在拟南芥残基397-423中）（Cloix等人, 2012; 尹等人, 2015）。 与COP1相比，WD40重复蛋白RUP1和RUP2仅由C27域(Yin et al,2015)与UVR8相互作用。

我们分析了拟南芥UVR8同系物中C27结构域的存在。图2和补充图S2显示虽然C27结构域不是很好保存，但“VP”核心在102株植物序列(95%)中保留了97个。VP只存在于绿藻单胞菌、衣原体、红藻、红藻、白藜芦醇、以及在人类RCC1蛋白(补充图S2)中。这些结果证实，本研究中分析的大多数蛋白质可能与COP1相互作用，导致UV-B反应。

Rizzini等人(2011）报告了一种了缺乏包含C27结构域的C端区域的莱茵衣藻UVR8序列。 然而，Tilbrook等人(2016）最近描述在莱茵衣藻中存在完整长度UVR8同系物，表明前面的序列是不完整的。zzini等人(2011)描述的Volvox carteri UVR8也缺乏c27，包括C-terminal区域。然而，我们的研究揭示了一个完整的VcUVR8蛋白，表明几个叶绿体基因组中的错误注释。

图2 | AtUVR8同系物的结构组织。 拟南芥UVR8同系物的示意性结构域组织表现为陆地植物，绿藻科和特别是苔藓植物分类群。 还显示了具有与AtUVR8相比低于40％的同一性并且含有对应于卵菌纲和硅藻的六/七种色氨酸的蛋白质的组。 浅蓝色框代表包含色氨酸233,285和337的三个“GWRHT”基序，涉及UV-B感知; 橙色框代表有助于UVR8-COP1相互作用的“VP”域。 在氨基酸的一个字母编码中显示了十四种色氨酸的氨基酸特征和取代。

UVR8同二聚体化

UVR8二聚体完整性是通过相互作用表面上的带电氨基酸之间的静电相互作用来维持，如精氨酸，谷氨酸和天冬氨酸尤其重要（克里斯蒂等人, 2012; Wu等人, 2012）。R286和R338中的突变产生了组成型UVR8单体，这表明这些氨基酸在维持同型二聚体状态中的中心作用（Wu等人, 2012）。 来自一个UVR8分子的叶片6的R286和来自叶片7的R338分别与来自叶片2的D96和D107以及来自另一个分子的叶片1的D44和E43相互作用（克里斯蒂等人, 2012; Wu等人, 2012)。

我们分析了UVR8同系物中这些残基的存在。 补充图S2显示鉴定序列中的99％的序列（总共102种植物序列中的101种）含有残基R286和98％残基D96和D107（总共102种中有100种序列）。此外，97％的鉴定序列（总共102株植物序列中有99株）含有R338,96％（总共102株中98株）D44和95％（总共102株中97株）E43。 这一研究中发现的大多数蛋白质中存在这些关键残基，这表明它们在没有UV-B刺激的情况下形成同源二聚体的能力。R286和338在藜苜蓿中不存在，在菠菜和小麦属（补充图S1）中未发现D44，D96，D107和E43，表明这些同源物中的任何一个都可能能作为组成型单体形成同二聚体的存在。 这就构成了组成性功能UVR8单体存在的问题。

本研究中报道的“GWRHT”基序，“VP”核心和参与二聚体完整性的氨基酸的保守性表明存在从绿藻到高等植物的功能性AtUVR8同源性的存在。 在UVR8诱导苯丙氨酸途径基因的表达为查耳酮合酶（CHS;Kliebenstein等人, 2002）。系统发育分析检测到绿藻藻类莱茵衣藻，苔藓P. patens，lycophyteS. moellendorffii和几种高等植物（沃尔夫等人, 2010）。 因此，这些物种中UVR8和CHS的存在显示了植物中UV-B信号传导途径的明显保护。最近的研究报道了衣原体，苹果属，胡杨和和葡萄球菌中UVR8的克隆和功能特征，这些蛋白与本研究中确定的相同（刘等人, 2015; 毛等人, 2015; Tilbrook等人, 2016; 赵等人, 2016）。这一发现加强了系统遗传学研究的力量，以确定真正的同源性。根据这些蛋白质的关键氨基酸和结构域的保守性（补充图S1），它们与AtUVR8具有功能相似性。UVR8表达在拟南芥中是组成型的（Kliebenstein等人, 2002; 凯瑟利和詹金斯, 2007; Favory等人, 2009），Vitis vinicola（刘等人,2015），胡杨，（毛等人,2015）和苹果（Malus domestica）（赵等人,

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