The solution and crystal structures of a bacterial phytochrome photosensory core in both its resting and activated states are determined; switching between closed (resting) and open (activated) forms is found to be mediated by a conserved ‘tongue’, and the structures indicate that smaller changes in the vicinity of the chromophore are amplified in scale as they are transmitted through the tongue and beyond. The crystal structure of the photosensory core of a bacterial phytochrome in both the resting and the active (illuminated) state has now been solved. Working with the phytochrome from the extremophile Deinococcus radiodurans, Sebastian Westenhoff and colleagues demonstrate that toggling between resting and active forms is mediated by a conserved 'tongue' that contacts the chromophore. Atomic-scale structural changes in the vicinity of the chromophore are amplified as they are transmitted through the tongue and beyond, culminating in a nanometre-scale conformational signal that feeds into the rest of the cellular signalling network. Sensory proteins must relay structural signals from the sensory site over large distances to regulatory output domains. Phytochromes are a major family of red-light-sensing kinases that control diverse cellular functions in plants, bacteria and fungi1,2,3,4,5,6,7,8,9. Bacterial phytochromes consist of a photosensory core and a carboxy-terminal regulatory domain10,11. Structures of photosensory cores are reported in the resting state12,13,14,15,16,17,18 and conformational responses to light activation have been proposed in the vicinity of the chromophore19,20,21,22,23. However, the structure of the signalling state and the mechanism of downstream signal relay through the photosensory core remain elusive. Here we report crystal and solution structures of the resting and activated states of the photosensory core of the bacteriophytochrome from Deinococcus radiodurans. The structures show an open and closed form of the dimeric protein for the activated and resting states, respectively. This nanometre-scale rearrangement is controlled by refolding of an evolutionarily conserved ‘tongue’, which is in contact with the chromophore. The findings reveal an unusual mechanism in which atomic-scale conformational changes around the chromophore are first amplified into an ångstrom-scale distance change in the tongue, and further grow into a nanometre-scale conformational signal. The structural mechanism is a blueprint for understanding how phytochromes connect to the cellular signalling network.

ABSTRACT Bacterial phytochrome photoreceptors usually belong to two-component signaling systems which transmit environmental stimuli to a response regulator through a histidine kinase domain. Phytochromes switch between red light-absorbing and far-red light-absorbing states. Despite exhibiting extensive structural responses during this transition, the model bacteriophytochrome from Deinococcus radiodurans (DrBphP) lacks detectable kinase activity. Here, we resolve this long-standing conundrum by comparatively analyzing the interactions and output activities of DrBphP and a bacteriophytochrome from Agrobacterium fabrum (AgP1). Whereas AgP1 acts as a conventional histidine kinase, we identify DrBphP as a light-sensitive phosphatase. While AgP1 binds its cognate response regulator only transiently, DrBphP does so strongly, which is rationalized at the structural level. Our data pinpoint two key residues affecting the balance between kinase and phosphatase activities, which immediately bears on photoreception and two-component signaling. The opposing output activities in two highly similar bacteriophytochromes inform the use of light-controllable histidine kinases and phosphatases for optogenetics.

Abstract Phytochromes are red/far-red light photoreceptors in bacteria to plants, which elicit a variety of important physiological responses. They display a reversible photocycle between the resting (dark) Pr state and the light activated Pfr state, in which light signals are received and transduced as structural change through the entire protein to modulate the activity of the protein. It is unknown how the Pr-to-Pfr interconversion occurs as the structure of intermediates remain notoriously elusive. Here, we present short-lived crystal structures of the classical phytochrome from myxobacterium Stigmatella aurantiaca captured by an X-ray Free Electron Laser 5 ns and 33ms after light illumination of the Pr state. We observe large structural displacements of the covalently bound bilin chromophore, which trigger a bifurcated signaling pathway. The snapshots show with atomic precision how the signal progresses from the chromophore towards the output domains, explaining how plants, bacteria and fungi sense red light.

Phytochrome proteins control the growth, reproduction, and photosynthesis of plants, fungi, and bacteria. Light is detected by a bilin cofactor, but it remains elusive how this leads to activation of the protein through structural changes. We present serial femtosecond X-ray crystallographic data of the chromophore-binding domains of a bacterial phytochrome at delay times of 1~ps and 10~ps after photoexcitation. The structures reveal a twist of the D-ring, which lead to partial detachment of the chromophore from the protein. Unexpectedly, the conserved so-called pyrrole water is photodissociated from the chromophore, concomitant with movement of the A-ring and a key signalling aspartate. The changes are wired together by ultrafast backbone and water movements around the chromophore, channeling them into signal transduction towards the output domains. We suggest that the water dissociation is key to the phytochrome photoresponse, explaining the earliest steps of how plants, fungi and bacteria sense red light.

Phytochrome proteins guide the red/far-red photoresponse of plants, fungi, and bacteria. The proteins change their structure in response to light, thereby altering their biochemical activity. Crystal structures suggest that the mechanism of signal transduction involves refolding of the so-called PHY tongue, but the two other notable structural features of the phytochrome superfamily, the helical spine and a figure-of-eight knot, have not been implied in the signaling mechanism. Here, we present solution NMR data of the complete photosensory core module from D. radiodurans (DrBphP). Photoswitching between the resting and active states induces changes in amide chemical shifts, residual dipolar couplings, and relaxation dynamics. All observables indicate a photoinduced structural change in the knot region and lower part of the helical spine. Supported by functional studies of plant phytochromes, the new mechanism explains how the conformational signal is directed through the protein to the signaling spine. The new pathway explains photo-sensing by phytochromes with atomic precision under biological conditions.

The three-dimensional structure of a protein plays a key role in determining its function. Methods like AlphaFold have revolutionized protein structure prediction based only on the amino-acid sequence. However, proteins often appear in multiple different conformations, and it is highly relevant to resolve the full conformational distribution. Single-particle cryo-electron microscopy (cryo EM) is a powerful tool for capturing a large number of images of a given protein, frequently in different conformations (referred to as particles). The images are, however, very noisy projections of the protein, and traditional methods for cryo EM reconstruction are limited to recovering a single, or a few, conformations. In this paper, we introduce cryoSPHERE, a deep learning method that takes as input a nominal protein structure, e.g. from AlphaFold, learns how to divide it into segments, and how to move these as approximately rigid bodies to fit the different conformations present in the cryo EM dataset. This formulation is shown to provide enough constraints to recover meaningful reconstructions of single protein structures. This is illustrated in three examples where we show consistent improvements over the current state-of-the-art for heterogeneous reconstruction.

Phytochromes are photoreceptor proteins in plants, fungi and bacteria. They can adopt two structurally distinct photochromic states with differential biochemical responses. The structural changes transducing the signal from the light-sensing chromophore to the biochemical output modules are poorly understood due to challenges in capturing structures of the dynamic, full-length protein. Here, we present the first cryo-electron microscopy structures of the full-length phytochrome from Pseudomonas aeruginosa (PaBphP) in its resting Pfr and photoactivated Pr state. The kinase-active Pr state has an asymmetric, dimeric structure, whereas the kinase-inactive Pfr state opens up at the kinase domains. This behaviour is different from other known phytochromes and we explain it with the unusually short connection between the photosensory and output modules. Multiple sequence alignment of this region suggests that it is evolutionarily optimised for different modes of signal transduction in sensor proteins. The results establish a new mechanism for light-sensing by phytochrome histidine kinases and provide input for the design of optogenetic phytochrome variants.