來(lái)自華盛頓大學(xué)圣路易斯分校、歐洲同步輻射裝置和歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們的一次跨大西洋合作揭示了激活植物激素的一個(gè)開(kāi)關(guān)的運(yùn)作，，標(biāo)記它們用作儲(chǔ)存或是標(biāo)記它們進(jìn)行破壞。這一研究在線發(fā)布在5月24日的《Science Express》，并將發(fā)表在即將出版的《科學(xué)》（Science）雜志上。

 

多一點(diǎn)，少一點(diǎn)

 

激素，換句話(huà)說(shuō)，可使得植物能迅速有時(shí)甚至顯著地對(duì)發(fā)育信號(hào)和環(huán)境壓力作出反應(yīng)。但為了作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，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(gè)關(guān)鍵的調(diào)控機(jī)制：一個(gè)酶家族將氨基酸附著在了激素分子上開(kāi)啟或關(guān)閉這些激素，這種反應(yīng)能夠激活激素，將其儲(chǔ)存或是標(biāo)記進(jìn)行破壞。

 

例如，在模式植物擬南芥（thale cress）中，少于5%的生長(zhǎng)素以游離活性（active free）形式存在。大部分偶聯(lián)（附著）到氨基酸上而無(wú)活性，構(gòu)成了一組能夠迅速轉(zhuǎn)換為游離活性形式的分子。

 

氨基酸的附著是由一種稱(chēng)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(jìn)化之前。這些基因隨時(shí)間多樣化：目前只有少數(shù)存在于苔蘚植物，有19種存在于擬南芥中，總計(jì)超過(guò)100種。

 

Jez 說(shuō)：“自然找到起作用的事物，并且緊隨著它們。GH3s是基因家族擴(kuò)充適應(yīng)多種用途的一個(gè)值得注意的范例。

 

一個(gè)旋轉(zhuǎn)的激素修飾機(jī)器

 

第一個(gè)GH3基因來(lái)自大豆在1984年完成了測(cè)序。然而基因（或蛋白質(zhì)）序列并沒(méi)有揭示出什么蛋白起作用以及如何發(fā)揮作用。為了了解功能，科學(xué)家們不得不弄清楚這些酶是如何開(kāi)始時(shí)作為氨基酸長(zhǎng)鏈，折疊為具有化學(xué)反應(yīng)的保護(hù)性印記的疙瘩小球的。

 

不幸的是，蛋白質(zhì)折疊時(shí)出了名的難題，按常規(guī)至少超越了計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。因此，大部分的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)仍是通過(guò)結(jié)晶蛋白和用X射線照射晶體定位內(nèi)部原子這種耗時(shí)的過(guò)程來(lái)解析。Jez實(shí)驗(yàn)室和歐洲同步輻射裝置均專(zhuān)門(mén)從事蛋白質(zhì)結(jié)晶工作。

 

運(yùn)氣好的是，科學(xué)家們能夠以?xún)煞N不同的構(gòu)象凍結(jié)這些酶。這一信息與通過(guò)突變酶活性位點(diǎn)內(nèi)的氨基酸所收集的另一些信息使得他們能夠?qū)⒚刚谧龅氖虑槠春系揭黄稹?/SPAN>

 

結(jié)果表明GH3沒(méi)折疊成了一種稱(chēng)為錘和鐵砧的形狀，催化了一個(gè)兩步化學(xué)反應(yīng)。在第一步，該酶的活性位點(diǎn)打開(kāi)使得ATP（三磷酸腺苷，細(xì)胞能量?jī)?chǔ)存分子）和游離酸形式植物激素能夠進(jìn)入。

 

一旦分子結(jié)合，酶即奪取ATP分子的磷酸基團(tuán)使其形成AMP，并將AMP粘附到激素的“激活”形式上，這種反應(yīng)稱(chēng)之為腺苷?；?/SPAN>adenylation）作用。

 

腺苷酰化作用觸發(fā)了酶的部分在活性位點(diǎn)上旋轉(zhuǎn)，使其準(zhǔn)備催化第二反應(yīng)。在第二反應(yīng)中一個(gè)氨基酸結(jié)合到激素分子上。這就是所謂的轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)。

 

Jez說(shuō)：“在你去掉兩個(gè)磷酸基團(tuán)后，分子頂部造成棘齒，構(gòu)建出一個(gè)完全不同的活性位點(diǎn)。由于我們?cè)趦蓚€(gè)位點(diǎn)捕捉到了該酶，我們很幸運(yùn)地捕獲了這一晶體學(xué)?！?/SPAN>

 

相同的基本兩步反應(yīng)可以或是激活或是滅活一個(gè)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(zhǎng)素上稱(chēng)作IAA標(biāo)志著進(jìn)行破壞。

 

這是第一次解析GH3的結(jié)構(gòu)。

 

輕易地育種植物

 

了解這一強(qiáng)大的植物激素系統(tǒng)將提供給科學(xué)家們更快更具靶向性的途徑來(lái)培育植物物種，以跟上植物生長(zhǎng)區(qū)的快速轉(zhuǎn)換。

 

植物激素，像動(dòng)物激素一樣，通常影響許多基因的轉(zhuǎn)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(huì)耐受細(xì)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(xué)的一位科學(xué)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(zhǎng)素的流動(dòng)。

 

因?yàn)檫@些植物要小得多，它們相對(duì)耐旱，或可生長(zhǎng)在印第安這一北美玉米品種不能生存的地方。相似的高產(chǎn)矮稈品種可以在全球許多人頻臨饑餓威脅的地區(qū)防止饑荒。