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追溯植物“法拉利”酶的起源

http://www.chla.com.cn 2012-05-23 来源:生物通 作者: 发表评论(0)

  大约5亿年前,植物开始从水生栖息地过渡到陆地,它们需要改变自身。这些现代植物的原始祖先最初并不具备在干旱的、阳光摧残的世界上生存的能力。然而渐渐地它们进化出了一些酶,使得它们能够合成新型的化合物保护它们免于新世界的威胁,例如太阳的有害紫外线。

  大约5亿年前,植物开始从水生栖息地过渡到陆地,它们需要改变自身。这些现代植物的原始祖先最初并不具备在干旱的、阳光摧残的世界上生存的能力。然而渐渐地它们进化出了一些酶,使得它们能够合成新型的化合物保护它们免于新世界的威胁,例如太阳的有害紫外线。

  来自美国萨克生物研究学院的研究员Joseph P.Noel和他的同事们在一项新研究中将研究焦点放在了其中的一个代谢酶上,直到今天这种酶仍能有效地发挥功能被生物化学家们视为是催化上“完美无缺”的。在发布于5月13日《自然》(Nature)杂志上的论文中,研究人员揭示了该酶是如何从非催化性的祖先蛋白进化而来的。

  Noel的研究兴趣在于了解如今的植物获得制造出不同化学武器能力的机制——成千上万的特化分子使得植物能够在世界各地各种各样的,有时甚至是有害的环境中旺盛生长。这些化合物中有许多同样对人体有益——可作为药物、疾病预防的营养物、香料、染料和农药。现代植物利用的酶工具一定是从远古植物为了在极其不同的世界中生存所利用的蛋白质分子进化而来。

  在当前的研究中,Noel和他在萨克生物研究学院的同事与爱荷华州立大学的研究人员合作侧重研究了苯基丙乙烯酮异构酶(CHI),CHI对于生成特定代谢产物黄酮类化合物(flavonoids)起关键性作用。黄酮类化合物以数千种形式发挥作用,为植物提供颜色吸引传粉昆虫,用有毒气味击退草食动物,用奇怪的味道来阻止真菌繁殖,用保护剂对抗太阳紫外线的漂白效应。

  生物学家们长期将CHI描述为一种“完美”的酶,因为它的原子结构可通过微调来催化极速反应。Noel说:“化合物尽可能快速地在溶液中或植物细胞质中撞上它,然后CHI制造出黄酮类化合物产物。在进化意义上说,它达到了极限。它正接近它能达到的极速。”

  2000年,Noel的研究小组首次解析了CHI的原子结构,通过X射线晶体学技术揭示了使CHI成为植物酶中的“法拉利”(Ferrari)的精确三维原子排列。事实上,它们的结构和生物化学分析表明该酶似乎已经达到了它的“进化极限”。然而在生物学中,一切来源于古老事物的东西都有可能是不同的。

  CHI这一高速催化物是在在植物进化的过程中的何处出现的?回顾2000年时,Noel并没有能够在拟南芥中找到显而易见的前体。尽管CHI自身对于大多数新近进化的绿色植物的黄酮类化合物生成起至关重要的作用,然而它似乎不存在于植物王国之外。

  从Noel研究小组揭示CHI结构至今多年来,现代植物科学获得了大量的新分子和遗传学技术。这些技术进步使得Noel和他的同事们能够在更简单(更古老)的生物体基因组序列中搜索CHI相关的蛋白质标记。他们在细菌和酵母中发现了与该酶相关的部分序列,向Noel提示CHI在深远的过去,在绿色植物走向陆地之前,就具有一个分子祖先。

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编辑:liang
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