光是调控植物生命活动的核心环境因子，调控植物从种子萌发到开花结实的整个生命过程。生物体在生长发育过程中不断面临DNA损伤威胁，其中DNA双链断裂（DNA double-strand break, DSB）是最严重的DNA损伤形式，修复缺陷或过度都会损害基因组稳定性。生命科学学院杨洪全教授团队于2023年在Nature Plants发表论文报道了拟南芥蓝光受体CRY促进DSB修复的功能及其分子调控机制（Guo et al., Nature Plants, 2023, 9(8):1280-1290）。但光信号调控DSB修复过程中的负调控因子并不清楚。
3月13日，杨洪全教授团队在Nature Communications在线发表题为“The COP1-ADA2b module mediates light regulation of DNA double-strand break repair in Arabidopsis”的研究论文，揭示了光信号核心开关COP1负调控DSB修复的功能及其分子调控机制。
光是植物生长发育最重要的环境因子之一，它不仅为植物光合作用提供能量来源，同时也是调节植物重要生理活动的信号来源。植物通过蓝光受体隐花色素CRY和红光/远红光受体光敏色素phy等光受体感受不同波段的光信号。COP1是光信号途径核心抑制因子，整合各种光受体介导的光信号，作为E3泛素连接酶通过调节众多下游因子的蛋白稳定性来介导光信号调控的生长发育过程。生物体在生长发育过程中，其DNA受到内源和环境因素的不断攻击，其中DSB是最为严重的损伤形式。DSB主要通过两个主要途径修复：非同源末端连接（nonhomologous end joining, NHEJ）和同源重组（homologous recombination, HR）。前者将断裂点两端直接连接引入错误，尽管后者相对精确，但过度的HR有可能造成异染色质等富含重复序列的区域非等位基因间发生同源重组，从而导致染色体的重排与畸变。在拟南芥中，DSB位点产生的diRNA招募相关蛋白形成IDN2-CDC5-ADA2b复合物，最终由ADA2b介导SMC5/6复合体向DSB位点聚集。
杨洪全教授团队在前期CRY介导蓝光通过ADA2b调控DSB修复的工作探索过程中发现ADA2b的蛋白稳定性受到蓝光的调控。进一步实验发现，白光、红光和远红光也同样促进了ADA2b的积累。并且，蓝光和红光/远红光诱导的ADA2b积累分别在cry1 cry2和phyA phyB双突变体背景中受到明显抑制，表明CRYs和phyA/phyB分别介导蓝光和红光/远红光促进ADA2b积累。为探究光依赖的ADA2b稳定性调控是否由光信号核心负调控因子E3泛素连接酶COP1介导，杨洪全教授团队通过一系列生化实验，发现COP1与ADA2b相互作用，并介导其泛素化，最终通过26S蛋白酶体途径降解。
鉴于ADA2b在DNA修复中的重要功能，杨洪全教授团队推测COP1可能也参与DNA修复。彗星实验显示，与野生型相比，cop1-4黄化苗DNA损伤积累减少，暗示COP1可能在植物生长发育过程中对DNA损伤修复起负调控作用。而在紫外线UV-C或DNA损伤诱导剂处理后，在白光、蓝光和红光下，cop1-4突变体均能维持更高的相对鲜重，表明其具有更强的DNA损伤抗性。其中，UV-C处理后，cop1-4突变体在白光、蓝光和红光下子叶白化的数量显著少于野生型，表明其在UV-C照射后具有更高的存活率。此外，在弱光下MMS处理后，免疫荧光实验显示cop1-4细胞核中γ-H2AX焦点（DSB标志物）更少，彗星实验也显示cop1-4细胞核尾部DNA含量更低，表明cop1-4突变体积累了更少的DNA损伤。这些结果共同表明，COP1可能负调控DNA修复。
cop1-4突变体表现出更强的DNA损伤抗性
由于ADA2b通过将SMC5招募到DSB在DNA修复过程中发挥功能，杨洪全教授团队进一步观察了cop1-4和cop1-4ada2b突变体背景下SMC5的招募情况。与前期SMC5的招募依赖蓝光与CRY的结果相吻合，在黑暗中，MMS处理后，野生型背景中SMC5-YFP
能形成焦点，仍呈弥散分布。但相同条件下，cop1-4背景中SMC5-YFP则能够形成焦点，表明SMC5的招募得到部分恢复，而在cop1-4ada2b突变体背景下，SMC5-YFP又不能形成焦点了，表明黑暗下DNA损伤处理后，cop1-4背景中SMC5-YFP的组成型招募依赖ADA2b。同时，在白光、蓝光和红光下，MMS处理后，cop1-4突变体的相对鲜重显著高于野生型，而cop1-4ada2b双突变体与ada2b突变体相似，表现出显著降低的相对鲜重。彗星实验也显示，黑暗中MMS处理后，cop1-4细胞核中DNA损伤积累比WT减少，而cop1-4ada2b双突变体与ada2b突变体相似，表现出更多的DNA损伤积累。综上，这些结果表明COP1位于ADA2b上游调控DNA修复。
后续遗传和生化实验表明，COP1位于光受体CRY和phyB的下游介导光信号调控DNA修复，蓝光激活的CRY和红光激活的phyB能够显著削弱COP1与ADA2b之间的相互作用。同时，与CRY类似，phyB也可以与ADA2b和SMC5相互作用。这样，在黑暗条件下，COP1介导ADA2b降解抑制DNA修复；而在光照条件下，激活的CRY和phyB等光受体一方面抑制COP1对ADA2b的降解，提高ADA2b的蛋白稳定性，另一方面通过与ADA2b和SMC5的互作，促进ADA2b介导的SMC5/6复合体向DSB位点的招募。这样，CRY和phyB等光受体作为“油门”促进DSB修复，而COP1作为“刹车”发挥负调控作用适时终止修复，动态调控DNA修复适时适度的完成，确保全天候维持其基因组的稳定性，从而增强植物的生存能力及环境适应性。
CRY和phyB分别介导蓝光和红光通过COP1-ADA2b模块调控DNA修复
上海师范大学生命科学学院博士生陈丽和刁丽曼为该论文的共同第一作者，郭彤彤副教授为通讯作者，杨洪全教授指导了该工作的开展。本科生阮佳琦，研究生邓艳丽、张凯、官妍，以及上海交通大学黎凌副教授等共同参与了这项研究。该研究得到了国家自然科学基金面上项目和国家重点研发计划等项目的资助。
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