Science：植物激素系统的关键开关（下）

　　

来自华盛顿大学圣路易斯分校、欧洲同步辐射装置和欧洲分子生物学实验室的科学家们的一次跨大西洋合作揭示了激活植物激素的一个开关的运作，，标记它们用作储存或是标记它们进行破坏。这一研究在线发布在5月24日的《Science Express》，并将发表在即将出版的《科学》（Science）杂志上。

上接：Science：植物激素系统的关键开关（上）

多一点，少一点

激素，换句话说，可使得植物能迅速有时甚至显著地对发育信号和环境压力作出反应。但为了作出适当的反应，植物必须能够灵敏地控制激素分子的水平和活性。

这篇Science文章揭示了一个关键的调控机制：一个酶家族将氨基酸附着在了激素分子上开启或关闭这些激素，这种反应能够激活激素，将其储存或是标记进行破坏。

例如，在模式植物拟南芥（thale cress）中，少于5%的生长素以游离活性（active free）形式存在。大部分偶联（附着）到氨基酸上而无活性，构成了一组能够迅速转换为游离活性形式的分子。

氨基酸的附着是由一种称为GH3s的大型酶（蛋白）家族催化，GH3s可能起源于4亿年前陆地植物进化之前。这些基因随时间多样化：目前只有少数存在于苔藓植物，有19种存在于拟南芥中，总计超过100种。

Jez 说：“自然找到起作用的事物，并且紧随着它们。GH3s是基因家族扩充适应多种用途的一个值得注意的范例。

一个旋转的激素修饰机器

第一个GH3基因来自大豆在1984年完成了测序。然而基因（或蛋白质）序列并没有揭示出什么蛋白起作用以及如何发挥作用。为了了解功能，科学家们不得不弄清楚这些酶是如何开始时作为氨基酸长链，折叠为具有化学反应的保护性印记的疙瘩小球的。

不幸的是，蛋白质折叠时出了名的难题，按常规至少超越了计算机的计算能力。因此，大部分的蛋白质结构仍是通过结晶蛋白和用X射线照射晶体定位内部原子这种耗时的过程来解析。Jez实验室和欧洲同步辐射装置均专门从事蛋白质结晶工作。

运气好的是，科学家们能够以两种不同的构象冻结这些酶。这一信息与通过突变酶活性位点内的氨基酸所收集的另一些信息使得他们能够将酶正在做的事情拼合到一起。

结果表明GH3没折叠成了一种称为锤和铁砧的形状，催化了一个两步化学反应。在第一步，该酶的活性位点打开使得ATP（三磷酸腺苷，细胞能量储存分子）和游离酸形式植物激素能够进入。

一旦分子结合，酶即夺取ATP分子的磷酸基团使其形成AMP，并将AMP粘附到激素的“激活”形式上，这种反应称之为腺苷酰化（adenylation）作用。

腺苷酰化作用触发了酶的部分在活性位点上旋转，使其准备催化第二反应。在第二反应中一个氨基酸结合到激素分子上。这就是所谓的转移酶反应。

Jez说：“在你去掉两个磷酸基团后，分子顶部造成棘齿，构建出一个完全不同的活性位点。由于我们在两个位点捕捉到了该酶，我们很幸运地捕获了这一晶体学。”

相同的基本两步反应可以或是激活或是灭活一个激素分子。例如，将氨基酸异亮氨酸添加到水杨酸上，可使得水杨酸激素具有生物活性。另一方面，添加氨基酸天冬氨酸到生长素上称作IAA标志着进行破坏。

这是第一次解析GH3的结构。

轻易地育种植物

了解这一强大的植物激素系统将提供给科学家们更快更具靶向性的途径来培育植物物种，以跟上植物生长区的快速转换。

植物激素，像动物激素一样，通常影响许多基因的转录，因此具有多方面的影响，包括一些想要的和一些不想要的。然而GH3的突变体提供了可能性的诱人一瞥：一些会耐受细菌病原体，另一些耐受真菌病原体，一些特别的耐旱。

Westfall提到2003年，普度大学的一位科学家阐明了一种具有短柄常耳的玉米株具有一种突变，干扰了植物中生长素的流动。

因为这些植物要小得多，它们相对耐旱，或可生长在印第安这一北美玉米品种不能生存的地方。相似的高产矮秆品种可以在全球许多人频临饥饿威胁的地区防止饥荒。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural Basis for Prereceptor Modulation of Plant Hormones by GH3 Proteins

Acyl acid amido synthetases of the GH3 family act as critical prereceptor modulators of plant hormone action; however, the molecular basis for their hormone selectivity is unclear. Here, we report the crystal structures of benzoate-specific Arabidopsis thaliana AtGH3.12/PBS3 and jasmonic acid (JA)–specific AtGH3.11/JAR1. These structures, combined with biochemical analysis, define features for the conjugation of amino acids to diverse acyl acid substrates and highlight the importance of conformational changes in the C-terminal domain for catalysis. We also identify residues forming the acyl acid binding site across the GH3 family and residues critical for amino acid recognition. Our results demonstrate how a highly adaptable three-dimensional scaffold is used for the evolution of promiscuous activity across an enzyme family for modulation of plant signaling molecules.