Nature：追溯植物“法拉利”酶的起源

日期：2012-05-15 08:18:10

大約5億年前，植物開始從水生棲息地過渡到陸地，它們需要改變自身。這些現代植物的原始祖先最初并不具備在干旱的、陽光摧殘的世界上生存的能力。然而漸漸地它們進化出了一些酶，使得它們能夠合成新型的化合物保護它們免于新世界的威脅，例如太陽的有害紫外線。

來自美國薩克生物研究學院的研究員Joseph P. Noel和他的同事們在一項新研究中將研究焦點放在了其中的一個代謝酶上，直到今天這種酶仍能有效地發揮功能被生物化學家們視為是催化上“完美無缺”的。在發布于5月13日《自然》（Nature）雜志上的論文中，研究人員揭示了該酶是如何從非催化性的祖先蛋白進化而來的。

Noel的研究興趣在于了解如今的植物獲得制造出不同化學武器能力的機制——成千上萬的特化分子使得植物能夠在世界各地各種各樣的，有時甚至是有害的環境中旺盛生長。這些化合物中有許多同樣對人體有益——可作為藥物、疾病預防的營養物、香料、染料和農藥。現代植物利用的酶工具一定是從遠古植物為了在極其不同的世界中生存所利用的蛋白質分子進化而來。

在當前的研究中，Noel和他在薩克生物研究學院的同事與愛荷華州立大學的研究人員合作側重研究了苯基丙乙烯酮異構酶(CHI)，CHI對于生成特定代謝產物黃酮類化合物（flavonoids）起關鍵性作用。黃酮類化合物以數千種形式發揮作用，為植物提供顏色吸引傳粉昆蟲，用有毒氣味擊退草食動物，用奇怪的味道來阻止真菌繁殖，用保護劑對抗太陽紫外線的漂白效應。

生物學家們長期將CHI描述為一種“完美”的酶，因為它的原子結構可通過微調來催化極速反應。Noel 說：“化合物盡可能快速地在溶液中或植物細胞質中撞上它，然后CHI制造出黃酮類化合物產物。在進化意義上說，它達到了極限。它正接近它能達到的極速。”

2000年，Noel的研究小組首次解析了CHI的原子結構，通過X射線晶體學技術揭示了使CHI成為植物酶中的“法拉利”（ Ferrari）的精確三維原子排列。事實上，它們的結構和生物化學分析表明該酶似乎已經達到了它的“進化極限”。然而在生物學中，一切來源于古老事物的東西都有可能是不同的。

CHI這一高速催化物是在在植物進化的過程中的何處出現的？回顧2000年時，Noel并沒有能夠在擬南芥中找到顯而易見的前體。盡管CHI自身對于大多數新近進化的綠色植物的黃酮類化合物生成起至關重要的作用，然而它似乎不存在于植物王國之外。

從Noel研究小組揭示CHI結構至今多年來，現代植物科學獲得了大量的新分子和遺傳學技術。這些技術進步使得Noel和他的同事們能夠在更簡單（更古老）的生物體基因組序列中搜索CHI相關的蛋白質標記。他們在細菌和酵母中發現了與該酶相關的部分序列，向Noel提示CHI在深遠的過去，在綠色植物走向陸地之前，就具有一個分子祖先。