定义
光敏蛋白是一种可以响应特定波长光的蛋白质。光敏蛋白在经过特定波长激励光照射时，经过一系列构象改变、蛋白间可逆结合以及聚合反应，驱动特异性生理反应，包括 (去) 激活特异性蛋白活动、激活或抑制转录、亚细胞定位、局部活性氧生产和其他功能[1]。
特点
光敏蛋白属于非视蛋白依赖光遗传学元件，其分子机制是通过吸收激发光的光子能量导致构象变化或者促进蛋白质之间的互作与重排。
虽然最佳光反应蛋白的设计取决于实际需求，但它们有一些共性特点：
（1）易于被遗传编码和表达。
（2）光响应活性具有较大的动态变化范围，且在黑暗条件下几乎没有或仅有较低的背景噪音。
（3）对细胞内源性蛋白功能和亚细胞定位造成的影响小。
（4）光激活波长具备特异性和快速反应性。
分类
根据不同作用机理，将光敏蛋白分为以下几类。
1、光敏色素：
植物光敏色素是一类可响应红光调节植物生长发育的蛋白。在种子植物中有两类光敏色素：Ⅰ型和Ⅱ型。目前在拟南芥 Arabidopsis thaliana 中已发现 5 种属于 Phy 家族的蛋白 (PhyA–PhyE)。其中光敏色素 A (PhyA) 是唯一一种Ⅰ型光敏色素，其在光照条件下降解，在黑暗条件下积累。在Ⅱ型光敏色素中，红光是最有效的响应触发光，其工作机理已被深入研究且被广泛应用于合成生物学领域。以光敏色素 B (PhyB) 为例，其包含两个主要的结构域：N 端光吸收结构域和 C 端效应结构域。
在红光照射下 PCB 介导 PhyB可逆构象变化，从而结合光敏色素互作因子PIF，在远红光 (760 nm) 照射下可以抑制 PhyB与PIF的结合，其工作过程如图1所示。
图 1 光敏色素激励光照射原理示意图[1]
2、隐花色素：
隐花色素 (Cryptochrome) 最早在拟南芥中发现，主要参与光调节细胞伸长、开花的光周期等。隐花色素 2 (CRY2) 是一种蓝光响应蛋白，其天然结合配体为具有螺旋-环-螺旋结构的 CIB蛋白。在光激活条件下，CRY2 与 CIB 形成二聚物，并且在黑暗条件下二聚体解聚，其工作过程原理示意图如所示。
图 2 隐花色素激励光照射原理示意图[1]
3、紫外响应受体8：
UVR-8 (UV response locus 8) 也是一种光敏蛋白，其作为植物UV-B响应信号通路的组成部分，帮助植物适应自然生长过程中的UVB(Ultraviolet B, 280–315 nm)，并缓解UV-B产生的DNA损伤。
在黑暗条件下，UVR-8 以同型二聚体形式存在，而光形态建成调控因子 (COP1) 是一种 E3 泛素连接酶，通过结合降解 UVB 响应转录因子阻遏紫外响应作用的产生；在UVB存在条件下，UVR-8 解聚为单体转运到核内，结合 COP1 的 C 端 WD-40 结构域并释放 COP1 转录结合因子，该过程是不可逆的，其工作原理示意图如图3所示。
图 3 紫外响应受体8激励光照射原理示意图[1]
4、变构蛋白：
变构蛋白二聚化或解聚也可应用于光诱导蛋白互作，一般情况下依赖于 LOV 结构域。光-氧-电势结构域(LOV)最早是从植物光电感受器phot1中分离出的闭锁结构域 (Caging domain)，通过响应蓝光调控植物生长。
黑暗条件下 AsLOV2 (Arabidopsis sativa LOV2)或AtLOV2 (Arabidopsis thaliana LOV2)结构域与C末端螺旋Jα结合；蓝光激活条件下，由于半胱氨酸残基的高度保守，使LOV核心与黄素蛋白FMN之间的非共价作用转变为共价作用，由此发生光诱导构象变化，解除Jα螺旋结构对LOV核心结构域的抑制作用，其工作原理示意图如图 4所示。因此可以通过在LOV结构域N端或Jα螺旋的C端融合效应蛋白，调控蓝光释放原来闭锁在LOV结构域中的目的蛋白，从而将该系统应用于光控信号通路的改造。
图 4 变构蛋白激励光照射原理示意图[1]
参考文献
[1] 魏琪瑶, 徐晨晨, 王美艳, et al. 光遗传学工具的开发及其应用研究[J]. 生物工程学报, 2019, Vol.35Issue(12):2238-2256.
