Nature：十年研究解析植物關鍵酶

日期：2012-05-15 08:19:02

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。

上接：Nature：追溯植物“法拉利”酶的起源

科學家們接下來在擬南芥基因組中進一步搜索了與CHI相似的序列，從而使得他們轉向了一個稱為FAPs的蛋白家族的三個成員。FAPs在基因序列和分子骨架結構上非常相似表明它們與CHO具有共同的根源

為了了解更多信息，研究人員生成了來自FAP基因的蛋白。Noel 回憶說：“在這一過程中，我們獲得了來自植物的每個FAP基因，將它插入到大腸桿菌中，讓細菌將其轉變為我們能夠處理的蛋白質。然而出人意料的是，這三個古老蛋白抓住了來自大腸桿菌宿主的一個脂肪酸分子，FAP蛋白緊緊地抓著它以致于我們能夠看到這一額外的分子。”

實際上，當他們利用X射線晶體學檢測FAP蛋白質的分子結構時，他們發現FAP形成了口袋緊鉤到一個脂肪酸上。與之相對比，CHI包含了一個特異形狀的口袋抓住了查爾酮（chalcone）將其轉變為植物黃酮類化合物。

Noel研究小組追蹤三種FAPs至植物葉綠體。葉綠體是指出光合作用發生的位點，也是脂肪酸從頭開始合成的位點。葉綠體中生成的脂肪酸之后被利用在種子和胚中累積能量儲存。由于對生存至關重要，FAPs被視為是植物主要代謝組分中重要的部分。相比之下，黃酮類化合物的合成被認為是一種特異的代謝：黃酮類化合物促成了植物能夠在野生特定情況下長期傳遞基因的能力，但當植物被放置在精確調控的實驗室環境中時卻并非即刻對生存起至關重要作用。

Noel說盡管FAPs和CHI在現代植物中發揮著非常不同的作用，它們的遺傳和結構相似性表明存在一個明確的進化關系。那么哪一個是另一個的祖先？Noel認為FAPs更年長。

由于FAPs甚至在藻類（早期植物祖先的現代范例）中促成了初級代謝，因此相比CHI它們更有可能通過自然選擇保存了超過5億年。這一快速移動的驅動黃酮類化合物生成的酶有可能是在更“近”的過去形成，僅僅5億年前左右，隨著植物開始向干涸的、紫外線明亮的陸地遷移。

Noel說發現植物生物合成中兩個獨立的參與者之間的聯系將對農業、生物燃料和營養學產生重大的影響。這些不同的生物化學近親的進化重聚讓他感到非常興奮。這也是給十年研究工作打上的一個極好的驚嘆號，Noel的研究小組一直在鍥而不舍地追尋這一在黃酮類化合物信號通路中的關鍵酶的起源。“這真是很酷，它是最好的一個例子，一個不是酶的蛋白進化成了極其有效的酶。我們可以從中得知不是我們，而是自然一直在完成一個時間為5億年的實驗！”