2024年9月13日，国际权威学术期刊Nature Chemical Biology发表了来自德国马克斯普朗克化学生态研究所的题为Incorporation of nitrogen in anti-nutritional Solanum alkaloid biosynthesis的研究论文，Prashant Sonawane和Sarah O'Connor团队成功地确定了在多种茄科植物中产生重要的防御物质甾体糖苷生物碱的关键生物合成步骤。![]()
如番茄、土豆和茄子等茄科植物会产生含有氮的防御物质，被称为甾体糖苷生物碱，这些物质可以保护植物免受植食性动物和植物病害的侵害。氮的结合是甾体糖苷生物碱毒性和因此其生物活性的关键因素。之前的研究已经确定了番茄和土豆中参与甾体糖苷生物碱生物合成的几种酶。尽管目前研究中调查的GLYCOALKALOID METABOLISM12（GAME12）酶早前被认为与甾体糖苷生物碱的生物合成有关，但是将氮原子引入甾体骨架从而生成防御性化合物的确切生化反应一直未知。来自耶拿马克斯普朗克化学生态研究所天然产物生物合成部门的科研人员现在揭示了转氨酶GAME12是如何从其在基本植物代谢中的作用转变成最终指导茄科植物中甾体糖苷生物碱产生的。由于所提议的底物从未通过实验确认，因此在甾体糖苷生物碱产生中的这一中心反应的特征描述极具挑战性。在这项研究中，科研人员结合使用了生物化学和代谢组学来证明GAME12的活性。![]()
在 N. benthamiana 中瞬时表达的番茄 GABA-T 同源蛋白的活性
与英国约克大学的Lichman团队及以色列魏茨曼科学研究所的Aharoni团队的科研人员的合作研究表明，这种关键酶是从参与基本植物代谢的祖先酶进化而来的。众所周知，GAME12属于γ-氨基丁酸转氨酶（GABA-T）酶家族。GABA-T蛋白在位于线粒体的基本植物代谢中起着至关重要的作用，在那里它们催化一个重要的反应：绕过作为所有植物生命功能基础的中心碳循环。科研人员的研究表明，GAME12通过新功能化，即基因在复制事件后获得新功能的过程，从祖先的GABA-T酶进化而来。值得注意的是，这种核心GABA酶的转变是通过蛋白质定位到细胞的不同隔室以及整体蛋白质结构的变化来实现的。基因组分析与广泛的生物化学表征相结合使科研人员能够假设GAME12是如何从其核心代谢祖先进化的。这为科研人员提供了深入了解参与植物特异代谢的酶如何进入其特定角色的重要线索。科研人员的结果还为植物系统中甾体糖苷生物碱生产的工程提供了基础。科研人员展示了将这个GAME12酶单独转入龙葵（Solanum nigrum）叶片中就足以生成原本在叶片中完全不存在的含氮甾体糖苷生物碱。这种对代谢流的重新导向可能在其他产生不含氮的甾体防御化合物（如皂苷）的农业相关植物中也能实现。![]()
茄科植物典型 GABA-Ts 中 SGA 形成 GAME12 酶的进化模型
科研人员的研究表明，生物合成途径具有很大的可塑性，这种可塑性不仅体现在参与酶的催化活性变化上，也体现在它们空间组织的改变上。这样的‘代谢’可塑性导致了植物特异代谢途径的巨大多样性。![]()
