萜類是自然界中種類最多的天然産物。一些萜類化合物(如類胡蘿蔔素、葉綠素、赤黴素)對植物的生長發育至關重要，而另一些(如單萜、二萜植保素等)則在植物對環境的适應過程中發揮作用。很多萜類化合物還是重要的藥用成分(如青蒿素、紫杉醇等)。在這些化合物的合成途徑中，其鍊長受到不同異戊烯基轉移酶的決定。異戊烯基轉移酶中的法尼基二磷酸合酶(FPPS)在細胞質中産物C15的代謝中間産物FPP，用于合成倍半萜(如青蒿素)和三萜(如甾醇)；而在葉綠體中牻牛兒基二磷酸合酶(GPPS)産生C10的GPP用于合成揮發性的單萜化合物(如檸檬烯、芳樟醇)，牻牛兒基牻牛兒基二磷酸合酶(GGPPS)則催化合成C20的GGPP，用于包括類胡蘿蔔素、葉綠素、維生素E等一系列重要化合物的合成。
該伟徳国际官网登录入口盧山教授團隊的研究描述了植物在進化中由GGPPS逐漸獲得GPP合成能力，并最終形成GPPS的過程，并且利用分子動力學模拟等手段解析了決定産物鍊長的兩個氨基酸位點。
在以往的報道中，GPPS通常出現在裸子植物中，而被子植物往往利用一個I類小亞基蛋白(SSUI)通過蛋白-蛋白相互作用，将GGPPS的産物從C20的GGPP“臨時”修改為C10的GPP。在2017年，盧山教授課題組在水稻中發現了一個真正的GPPS，并由此展開了對GPPS起源與演化的研究工作(Zhou et al. 2017. PNAS. 114: 6860-6865)。在近日發表的論文中，通過對來自不同物種的一系列GGPPS的功能鑒定，他們發現在藍細菌和藻類植物中，GGPPS通常隻能專一地合成GGPP。随着在苔藓植物中的基因家族擴張，一些GGPPS逐漸産生了合成GPP的能力，而這一能力在蕨類植物中得到發展，并最終形成裸子植物中功能專一的GPPS (圖1)。與此同時，在苔藓植物中還出現了由GGPPS向無催化功能的小亞基蛋白的分化。該分化首先在蕨類和裸子植物中形成了對GGPPS酶活具有促進能力的II類小亞基(SSUII)，并最終在被子植物中産生了能夠改變GGPPS用于合成GPP的I類小亞基(SSUI) (圖1)。利用GGPPS-SSUI組合取代單一的GPPS來産生GPP，在保障GGPPS功能(植物的生長和發育)的前提下，賦予了被子植物萜類代謝更大的自由度。
圖1. 植物GPPS的進化途徑
在對水稻GPPS的功能解析中，他們發現GGPPS的一個亮氨酸-缬氨酸(LV)氨基酸對如果突變為缬氨酸-丙氨酸(VA)，則産物從GGPP變為GPP。這兩個氨基酸在GGPPS容納反應中間産物和催化進一步延伸的過程中至關重要。這一發現解釋了裸子植物中GPPS的産生過程。此外，本研究首次将分子動力學模拟技術應用于異戊烯基轉移酶的功能解析。研究表明，在GGPPS的VA突變體中，位于VA位點附近的多個氨基酸之間的距離縮短，減少了反應腔對較大中間産物的容納能力(圖2)；而與此同時，GGPPS突變體中GPP與IPP的距離加大，難以進行下一步的延伸反應，因此更加趨于釋放GPP作為催化的最終産物(圖3)。
圖2. GGPPS中LV–VA突變導緻多個相鄰氨基酸之間距離縮短。
圖3. LV–VA突變影響了産物延伸。(A) GPP (C10)需要與IPP (C5)縮合産生更長的中間産物FPP (C15). (B) 分子動力學模拟顯示，VA突變體中GPP與IPP之間的距離加大。(C)和(D)分别為在野生型(LV)和突變體(VA)中的模拟示意圖。
近日，該成果以The functional evolution of architecturally different plant geranyl diphosphate synthases from geranylgeranyl diphosphate synthase (https://doi.org/10.1093/plcell/koad083 )為題在植物學領域久負盛名的學術刊物The Plant Cell在線發表。本研究得到國家自然科學基金等項目的支持。研究人員來自伟徳国际官网登录入口、澳大利亞拉籌伯大學(La Trobe University和美國普渡大學(Purdue University)。該論文的第一作者是盧山教授實驗室2017級博士研究生宋書言(現于浙江大學從事博士後研究)；該文來自La Trobe大學的共同第一作者金瑞濤、何思潼為我校2015屆畢業生。