植物4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)研究进展

　　摘要综述了4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)的功能、功能与结构的关系及晶体学方面的研究进展,以期为4CL蛋白质的结构和功能的进一步研究提供依据。
　　关键词4-香豆酸;辅酶A连接酶;功能;研究进展

　　AbstractIn this paper,the research progress of 4-coumarate:coenzyme A ligase(4CL)was overviewed,containing function,relationship between function and structure,and crystallography. It would provide evidence for further study on the structure and function of 4CL proteins.
　　Key words4-coumarate;coenzyme a ligase(4CL);function;research progress
　　
　　4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)是木质素生物合成的关键酶之一,它位于苯丙酸途径与木质素特异合成途径的转折点上。4CL催化肉桂酸及其羟基或甲氧基衍生物生成相应的辅酶A酯,这些中间产物随后进入苯丙烷类衍生物支路合成途径[1-2]。以前的研究大都集中在各物种的4CL基因及其同工酶基因的发现和表达调控,近年来其催化反应和底物偏好选择的分子机理成为研究热点。目前的研究进展主要是通过研究功能域氨基酸位点的突变体酶蛋白的体外功能和蛋白质晶体结构模型,提出可能的分子机理。
　　14CL蛋白的功能研究
　　4CL蛋白的研究在20世纪70年代初就已经开始,最初的研究工作主要集中在分离纯化植物中的4CL蛋白酶,并对提取的天然4CL蛋白酶进行生化特性研究方面。到目前为止,已从大豆、欧芹、云杉、杨树、水稻、丝瓜、刺槐等多种植物中纯化或部分纯化出了4CL蛋白。
　　随着越来越多植物的4CL基因被发现,人们发现这些植物基因组中4CL基因一般以小的基因家族的形式存在,家族内不同成员可能在苯丙烷类代谢不同分支代谢途径中起作用。同时人们发现4CL基因是组织特异性表达基因,同一物种中4CL基因家族中不同成员的表达表现出器官、组织和细胞的特异性,这可能与不同成员参与不同的分支途径有关。如美洲山杨含有结构上和功能上均不同的2个4CL基因Pt4CL1和Pt4CL2,二者差异表达以调控不同的苯丙烷类衍生物的生物合成,它们参与不同的生理功能[3],Pt4CL1在正在发育的木质部组织参与木质素生物合成,而Pt4CL2在表皮细胞中参与其他酚类化合物如类黄酮的生物合成。
　　人们也对4CL基因的表达调控作了大量的研究。与植物次生代谢途径中的大多数酶类一样,4CL基因也属于调控基因。其表达主要受发育的调控,4CL基因在植物生命世代中很早即开始表达。拟南芥4CL基因在苗期阶段即被活化,拟南芥发芽后2~3 d,4CL基因即开始表达,其活性与子叶和根部木质素沉积的起始密切相关[4]。毛白杨4CL基因的表达水平在一个生长季节中呈现“双峰”模式,即“弱—强—弱—强—弱”,分别在6月底至7月初、7月底至8月初达到峰值,与早材和晚材的形成阶段相符合[5]。4CL基因的表达还能被许多环境因子激活,如各种伤害、病原菌侵染、紫外线辐射等。4CL基因家族的不同成员对于各种环境因子的反应差异说明其在苯丙烷类衍生物代谢中具有不同的功能。
　　24CL蛋白的结构和功能的关系
　　通过对几种植物的4CL蛋白的氨基酸序列进行同源比对分析结果发现:4CL蛋白质归类为2组,组I和组II。拟南芥At4CL1、At4CL2,杂种杨Ptd4CL1、Ptd4CL2和Pt4CL1归类为组I,拟南芥At4CL3及杨树Pt4CL2归类为组II。组I内蛋白质相互之间的关系比其与组II来自同一种植物的蛋白质之间的关系更为接近,反之亦然(反之亦然)。组II内拟南芥、杨树和大豆的4CLs主要伴随着类黄酮的生物合成,而组I内的4CLs更为主要地伴随木质素以及其他苯丙烷类衍生物的生物合成。
　　对4CL蛋白质序列的比对分析还表明,在所有已知的4CL氨基酸序列中存在几个保守的肽基序(motif)。肽基序Box I、SSGTTGLPKGV在4CL蛋白质序列中几乎绝对保守,而且与荧光素酶、长链脂肪酰基-CoA合成酶、肽合成酶中发现的保守基序相似。肽基序Box II、GEICIRG在所有4CL中绝对保守,其中心的C残基被认为直接参与催化进程[6]。