Science：植物激素系統的關鍵開關（下）
日期：2012-06-20 12:33:19
來自華盛頓大學圣路易斯分校、歐洲同步輻射裝置和歐洲分子生物學實驗室的科學家們的一次跨大西洋合作揭示了激活植物激素的一個開關的運作，，標記它們用作儲存或是標記它們進行破壞。這一研究在線發布在5月24日的《Science Express》，并將發表在即將出版的《科學》（Science）雜志上。
多一點，少一點
激素，換句話說，可使得植物能迅速有時甚至顯著地對發育信號和環境壓力作出反應。但為了作出適當的反應，植物必須能夠靈敏地控制激素分子的水平和活性。
這篇Science文章揭示了一個關鍵的調控機制：一個酶家族將氨基酸附著在了激素分子上開啟或關閉這些激素，這種反應能夠激活激素，將其儲存或是標記進行破壞。
例如，在模式植物擬南芥（thale cress）中，少于5%的生長素以游離活性（active free）形式存在。大部分偶聯（附著）到氨基酸上而無活性，構成了一組能夠迅速轉換為游離活性形式的分子。
氨基酸的附著是由一種稱為GH3s的大型酶（蛋白）家族催化，GH3s可能起源于4億年前陸地植物進化之前。這些基因隨時間多樣化：目前只有少數存在于苔蘚植物，有19種存在于擬南芥中，總計超過100種。
Jez 說：“自然找到起作用的事物，并且緊隨著它們。GH3s是基因家族擴充適應多種用途的一個值得注意的范例。
一個旋轉的激素修飾機器
第一個GH3基因來自大豆在1984年完成了測序。然而基因（或蛋白質）序列并沒有揭示出什么蛋白起作用以及如何發揮作用。為了了解功能，科學家們不得不弄清楚這些酶是如何開始時作為氨基酸長鏈，折疊為具有化學反應的保護性印記的疙瘩小球的。
不幸的是，蛋白質折疊時出了名的難題，按常規至少超越了計算機的計算能力。因此，大部分的蛋白質結構仍是通過結晶蛋白和用X射線照射晶體定位內部原子這種耗時的過程來解析。Jez實驗室和歐洲同步輻射裝置均專門從事蛋白質結晶工作。
運氣好的是，科學家們能夠以兩種不同的構象凍結這些酶。這一信息與通過突變酶活性位點內的氨基酸所收集的另一些信息使得他們能夠將酶正在做的事情拼合到一起。
結果表明GH3沒折疊成了一種稱為錘和鐵砧的形狀，催化了一個兩步化學反應。在第一步，該酶的活性位點打開使得ATP（三磷酸腺苷，細胞能量儲存分子）和游離酸形式植物激素能夠進入。
一旦分子結合，酶即奪取ATP分子的磷酸基團使其形成AMP，并將AMP粘附到激素的“激活”形式上，這種反應稱之為腺苷酰化（adenylation）作用。
腺苷酰化作用觸發了酶的部分在活性位點上旋轉，使其準備催化第二反應。在第二反應中一個氨基酸結合到激素分子上。這就是所謂的轉移酶反應。
Jez說：“在你去掉兩個磷酸基團后，分子頂部造成棘齒，構建出一個完全不同的活性位點。由于我們在兩個位點捕捉到了該酶，我們很幸運地捕獲了這一晶體學。”
相同的基本兩步反應可以或是激活或是滅活一個激素分子。例如，將氨基酸異亮氨酸添加到水楊酸上，可使得水楊酸激素具有生物活性。另一方面，添加氨基酸天冬氨酸到生長素上稱作IAA標志著進行破壞。
這是第一次解析GH3的結構。
輕易地育種植物
了解這一強大的植物激素系統將提供給科學家們更快更具靶向性的途徑來培育植物物種，以跟上植物生長區的快速轉換。
植物激素，像動物激素一樣，通常影響許多基因的轉錄，因此具有多方面的影響，包括一些想要的和一些不想要的。然而GH3的突變體提供了可能性的誘人一瞥：一些會耐受細菌病原體，另一些耐受真菌病原體，一些特別的耐旱。
Westfall提到2003年，普度大學的一位科學家闡明了一種具有短柄常耳的玉米株具有一種突變，干擾了植物中生長素的流動。
因為這些植物要小得多，它們相對耐旱，或可生長在印第安這一北美玉米品種不能生存的地方。相似的高產矮稈品種可以在全球許多人頻臨饑餓威脅的地區防止饑荒。
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