[科普中國]-八氫番茄紅素合酶

定義

八氫番茄紅素合酶是類胡蘿卜素生物合成途徑上的第一個(gè)合成酶,它催化兩分子GGPP形成八氫番茄紅素。大量研究表明八氫番茄紅素合酶是類胡蘿卜代謝途徑的限速酶,盡管在擬南芥中只存在一個(gè)編碼PSY的基因,但是在大多數(shù)植物中,PSY由多個(gè)基因編碼,例如,番茄,木薯,玉米和水稻中都有3 個(gè) Psy 基因編碼,煙草也有兩個(gè)。1

作用八氫番茄紅素(Phytoene)是類胡蘿卜素合成途徑中第一個(gè)代謝產(chǎn)物，Phytoene 是由兩分子的 GGPP 縮合而成的，該反應(yīng)由八氫番茄紅素合成酶催化完成。在高等植物中，八氫番茄紅素到番茄紅素的脫氫過程有兩個(gè)酶參與，涉及到兩個(gè)酶編碼基因。第一個(gè)酶是八氫番茄紅素脫氫酶，參與八氫番茄紅素到 ξ-胡蘿卜素的反應(yīng)，編碼基因?yàn)?PDS；第二個(gè)酶為 ξ-胡蘿卜素脫氫酶，在它的催化下，ξ-胡蘿卜素脫氫生成番茄紅素，編碼基因?yàn)?ZDS。細(xì)菌的八氫番茄紅素脫氫酶基因CrtI 引入大腸桿菌得到類胡蘿卜素合成的終產(chǎn)物是全反式番茄紅素，而 Arabidopsis 的PDS 和 ZDS 基因在大腸桿菌的表達(dá)多肽使八氫番茄紅素轉(zhuǎn)化為順式番茄紅素，就目前的研究證明，PSY 是類胡蘿卜素生物合成途徑中公認(rèn)的限速酶，其基因序列早在 1987年就己經(jīng)由 Ray 等獲得，但他們僅僅認(rèn)識(shí)到該 cDNA 克隆是編碼一個(gè)可以在番茄果實(shí)成熟期間特異表達(dá)的基因，其功能未知。后來，Armstrong等發(fā)現(xiàn) pTOMS 編碼的氨基酸序列與草生歐文氏菌和莢膜紅細(xì)菌八氫番茄紅素合成酶的同源性在 20%以上；而 Bird等將 pTOMS 反義載體導(dǎo)入番茄而獲得的轉(zhuǎn)基因植株中，果實(shí)的類胡蘿卜素含量大大降低。由此證實(shí)，該基因?qū)儆?Psy 基因家族。到目前止，已經(jīng)分離出Psy 基因的植物物種除番茄外，還有辣椒(X68017)、擬南芥(AF009954，L25812)、黃水仙(X78814)、甜瓜(S237543)、玉米(U32636)、水稻(AY024351)、小麥(EF600063)等。1

研究進(jìn)展大量研究表明不同的八氫番茄紅素合酶基因具有組織表達(dá)特異性。例如,番茄轉(zhuǎn)錄本僅在非光合組織如花和果中大量積累,而番茄的表達(dá)影響綠色組織和根中類胡蘿卜素含量;在木薯中報(bào)導(dǎo)的三個(gè)基因,其中Psy1和Psy2轉(zhuǎn)錄本在所有組織中都能檢測到,并且響應(yīng)鹽和干旱逆境的誘導(dǎo),而轉(zhuǎn)錄本在各個(gè)組織中幾乎檢測不到。在單子葉植物比如玉米和水稻中,Psy基因不僅具有組織表達(dá)特異性,同時(shí)還響應(yīng)不同環(huán)境信號(hào),如非生物逆境,光信號(hào)和發(fā)育因素。除此之外,通過比較進(jìn)化分析表明高等植物和藻類PSY序列通過遠(yuǎn)古時(shí)期的復(fù)制形成了兩個(gè)截然不同的分支,但是只在藻類中存在兩個(gè)分支,高等植物已經(jīng)丟失了 PSYII,僅含有PSYI,其所有的旁系同源基因都由PSYI演變而來。

通過對(duì)番茄和辣椒有色體的研究表明PSY,IDI和GGDS形成了一個(gè)200kDa的高分子復(fù)合體。由于八氫番茄紅素是脂溶性,需要傳遞到膜上以供定位于膜上的酶催化形成下游的類胡蘿卜素,因此,這個(gè)高分子復(fù)合體被認(rèn)為是與膜相連的。研究發(fā)現(xiàn)IDI和GDPP均是可溶性的酶,而 PSY 在所有質(zhì)體中均與膜相連。利用豌豆葉綠體輸出實(shí)驗(yàn)表明擬南芥和番茄PSY均分布在類囊體膜周圍=辣椒PSY則定位在有色體基質(zhì)巾，在水仙PSY有兩種存在方式,區(qū)別在于酶的可溶性,其中,不可溶的酶與膜相連具有很高的酶活性,而可溶性酶沒有酶活性,除非提供半乳糖酯才具有酶活性。2

在一些類胡蘿卜素含量較低的植物組織中,Psy的表達(dá)水平是最重要的限速因子，比如柑橘愈傷,甘藍(lán)型油菜和擬南芥種子。另有研究表明,的選擇性剪切產(chǎn)生的4個(gè)轉(zhuǎn)錄本中,僅一個(gè)轉(zhuǎn)錄本編碼有功能蛋白,導(dǎo)致有活性的PSY蛋白水平下降,造成小麥胚乳類胡蘿卜素的含量發(fā)生變化,從而引起小麥胚乳顏色的差異。近來研究發(fā)現(xiàn)木薯只Psy2基因存在一個(gè)SNP位點(diǎn),該位點(diǎn)引起了氨基酸的突變,導(dǎo)致PSY2酶活性增強(qiáng)和貯藏根中類胡蘿卜的快速積累。相似的情況也發(fā)生在辣椒中。

作為控制類胡蘿卜代謝的限速步驟,Psy的表達(dá)受光信號(hào)、ABA、鹽、干旱、發(fā)育因素等諸多因素的調(diào)控。水稻Psyl和Psy2基因啟動(dòng)子序列中的順式元件(box I和boxⅥ)參與了光信號(hào)的調(diào)控,而Psy3基因中沒有類似元件,且不響應(yīng)光信號(hào)調(diào)控。最新的研究表明光敏色素作用因子(PIFs)與Psy基因啟動(dòng)子結(jié)合,抑制了擬南芥基因的表達(dá)。除光響應(yīng)元件之外,還有一個(gè)假定的ABA響應(yīng)元件和其輔助元件(ABRE-CE)存在于水稻Psy3和玉米Psy3基因的啟動(dòng)子序列中,這兩個(gè)基因均響應(yīng)干旱和鹽逆境,并受到ABA的調(diào)控。2