研究人員一直認(rèn)為每個酶依據(jù)其分子形狀都有自己專一的職責(zé),。根據(jù)這種假設(shè)，只有在積累若干與改變形態(tài)有關(guān)的突變后,，酶才會進(jìn)化成具新功能的酶,，這可能需要經(jīng)歷數(shù)千代。現(xiàn)在,，美國能源部Brookhaven國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種能瞬間改變多種植物酶功能的因子——酶在細(xì)胞中所處的位置,。這些酶根據(jù)所處位置不同其產(chǎn)物也略有不同。
“正如房地產(chǎn)最重要的是位置,，一些酶也具有同樣的特征,，”Brookhaven的生化學(xué)家John Shanklin說。他在發(fā)表于2004年7月13日的Proceedings of the National Academy of Sciences的一篇論文中描述第一個位置依賴性酶的功能變化,。
這種多功能酶能充分?jǐn)U展細(xì)胞代謝產(chǎn)物的多樣性,，從而增加有機(jī)體適應(yīng)環(huán)境變化的能力。它們也可能為研究人員提供一些生產(chǎn)特定植物產(chǎn)物以滿足某種需要的新方法,，例如培養(yǎng)能生產(chǎn)不同的,、或許更健康的植物油。
Shanklin和他的研究助理Ingo Heilmann正在研究擬南芥中一種獨特的脫氫酶。脫氫酶能脫去脂肪酸鏈中的氫原子并形成碳－碳雙鍵,，使脂肪去飽和,。擬南芥是研究植物最常用模式生物之一，正如果蠅一樣,。在利用酵母細(xì)胞研究幾種新發(fā)現(xiàn)的擬南芥脫氫酶功能時,，Heilmann和Shanklin注意到一種酶在酵母中的功能與在植物中的有所不同：它能將一個雙鍵插入到脂肪酸碳鏈上不同的位置。
研究人員知道在植物細(xì)胞中,，這種酶有一個“地址信號”標(biāo)簽用來引導(dǎo)它到達(dá)植物細(xì)胞的葉綠體中,。當(dāng)Heilmann去除這個地址信號時，這種植物酶就不能進(jìn)入葉綠體而是進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中,。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中,，這種酶使飽和脂肪酸脫氫的方式與在酵母細(xì)胞中的相同。反過來,，當(dāng)研究人員將葉綠體地址信號加入到幾種本來在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中行使功能的脫氫酶中,，它們則會進(jìn)入到葉綠體中并正常行使葉綠體中正常脫氫酶的功能。
“因此,，酶并不是等待多個突變的積累來產(chǎn)生新的功能,，而是通過簡單的加入或刪減一個地址信號——也就是單個的突變，就能在瞬間改變酶的產(chǎn)物,，”Shanklin說,。
但是，科學(xué)家仍然不知道這些位置變化是如何使酶的功能發(fā)生變化的,。他們推測脂類頭部基團(tuán)（lipid head groups）—— 一類連接脂肪酸的“骨架”,，在葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有不同的形式——可能與此有關(guān)。通過把構(gòu)建葉綠體脂類頭部基團(tuán)有關(guān)的基因加入到酵母細(xì)胞,，研究人員能夠創(chuàng)造出含有與葉綠體中脫氫酶功能相同的酵母細(xì)胞,，從而證明這種頭部基團(tuán)是位置依賴性的功能變化的關(guān)鍵。
現(xiàn)在,，Brookhaven的研究人員與加州大學(xué)的Thomas Girke一起研究這種酶功能變化現(xiàn)象的分布情況,。利用計算機(jī)，他們已經(jīng)對整個擬南芥基因組的“地址信號”變化情況進(jìn)行了分析,。
在大約6000個擬南芥基因家族中,，他們鑒定出239個能夠編碼被送往細(xì)胞不同位置的酶,。這些位置的變化是否會造成不同的功能還需要進(jìn)一步研究,。“這是一個需要進(jìn)一步開發(fā)的新領(lǐng)域，”Shanklin說,。
研究人員還將研究在已知的酶中添加或移除地址信號是否會改變他們的定位和功能,。“我們已經(jīng)利用沒有地址信號的葉綠體脫氫酶在擬南芥中生產(chǎn)一種更健康、低飽和度的植物油,，”Shanklin說,。“這種方法有一天可能會幫助我們生產(chǎn)出更健康的作物,。”
