进化新知：植物酶类源自非酶物质

部分的类黄酮分子结构

在5亿年前，植物开始登陆，在登陆之前，它们需要做一些改变，因为这些古老的祖先并不擅长生活于干旱且曝晒的环境中，于是它们进化出一些酶，以合成能帮助它们抵御外界威胁（如紫外线）的化合物。这些化合物在现代植物中发挥着非常重要且“完美”的作用，它使植物能遍布世界各地，同时它对人类也非常有用，它可以制成药物、营养物质、香精、染料及杀虫剂等。这些酶类都是从蛋白质进化而来。来自萨克生物研究学院的Joseph P. Noel及同伴将注意力集中在寻找一种新陈代谢酶类的进化过程上，这种酶的前身仅是一类无任何活性的蛋白质。这种酶被称为查尔酮异构酶（chalcone isomerase，CHI），它对一类特定的新陈代谢产物——类黄酮（flavonoids）的产生起关键作用。类黄酮有上千种形态，它为植物提供吸引传粉者的色彩、驱散食草动物的恶臭、抵御真菌入侵的味道以及反抗阳光漂白作用的保护剂。在生物学家眼中，CHI算得上是一类非常完美的酶类，它特殊的原子结构使其能达到活性的最大值。Noel解释说，一旦化学物质进入细胞质，就能立即被它转化为类黄酮，从进化学角度讲，CHI已经达到它的顶峰了。

2000年，Noel和他的团队首次利用X射线扫描解开了CHI的原子结构，Noel说，从结构及生化角度分析，它已达到进化极限，然而从生物学角度讲，任何新事物与祖先都会有所不同。当时，Noel并没有找到存在于阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）中CHI的任何初期形式，而且CHI也仅存在于植物界中。在那之后，随着分子及基因技术不断进步，Noel和同伴最近在细菌及酵母中发现了CHI古老形式的基因片段，这表明CHI在植物登陆前就拥有深远的进化渊源。

之后，研究者在阿拉伯芥的基因组中寻找与CHI相似的序列，他们发现一类名为FAPs的蛋白质族中的3个成员与CHI拥有相似的基因序列与分子骨架结构，Noel说，它们应该与CHI同源。研究者提取出FAP基因并插入大肠杆菌（E. coli）中以期望获得蛋白质产物，然而令人惊讶的是，FAP基因与大肠杆菌中的一种脂肪酸紧密结合，以至根本无法进行观察。在利用X射线对FAP进行观测时也遇到了相同的情况，而CHI则能捕获查耳酮（chalcone）并将其转化为类黄酮。

研究者追溯这3类FAPs在叶绿体中的作用，由于脂肪酸对于在种子和胚胎中储存能量极为关键，因此FAPs也被认为是常规新陈代谢的主要成员，而类同酮合成则是一种特殊的新陈代谢过程，它对植物在野外生存起到了宏观维持的作用。虽然两者之间作用不同，但它们的基因及结构相似性仍显示它们拥有共同的进化关系。它们究竟哪种更原始些呢？Noel更倾向于认为FAPs更古老些。因为FAPs在藻类内部也是新陈代谢的主要成员，而CHI所控制的类黄酮代谢则是在5亿年前出现的。Noel及其同伴还将继续探寻它们更为深远的起源。

（化石网/歆塬 编译）