法呢基焦磷酸_FPP_的生物合成及其分子调控

１ ＦＰＰ 的 生 物 合 成 途 径
在 过 去 甲 羟 戊 酸 途 径 被 认 为 是 产 生 ＩＰＰ 的 通 用 途 径 ， 即 ： 由 乙 酰 ＣｏＡ 形 成 ３－羟 基－３－甲 基 戊 二 酰 辅 酶 Ａ （ ＨＭＧＣｏＡ） ， 生 成 的 ＨＭＧＣｏＡ 在 ＨＭＧＣｏＡ 还 原 酶 （ ＨＭＧＲ） 的 作 用 下 生 成 甲 羟 戊 酸 （ ＭＶＡ） ； 甲 羟 戊 酸 在 ＭＶＡ 激 酶 、磷 酸 ＭＶＡ 激 酶 和 脱 羧 酶 的 作 用 下 形 成 异 戊 烯 焦 磷 酸 （ ＩＰＰ） 。在 该 途 径 中 ， 甲 羟 戊 酸是类异戊二烯化合物生物合成的重要前体。因 此 ， 将 该 途 径 称 为 甲 羟 戊 酸 途 径 （ ｍｅｖａｌｏｎａｔｅ ｐａｔｈｗａｙ） （ 图 １ 中 Ａ） ， 由 ＨＭＧＲ 催 化 形 成 的 甲 羟 戊 酸是一个不可逆过程， 为该途径的第一个限速酶。
续 缩 合 反 应 ， 形 成 １５ 碳 的 法 呢 基 焦 磷 酸 （ ＦＰＰ） ， ［４， ５］ 该 系 列 酶 使 碳 正 离 子 作 用 于 ＩＰＰ 分 子 双 键 上 富 含 电子的碳原子， 这种反应的亲电子特性与发生在其 它生物合成途径的亲核相关， 异戊二烯基转移酶催 化 两 个 底 物 分 子 间 的 Ｃ－Ｃ 键 形 成 ， 也 催 化 立 体 化 学 结构很少变动的化学反应。
２ ＦＰＰ 的 生 物 学 特 性 及 其 功 能
异戊二烯途径是植物体内一条重要的代谢途 径 ， ＦＰＳ 是 分 离 最 早 ， 也 是 了 解 最 透 彻 的 一 个 ＩＰＰＳ， ＦＰＰ 处 在 许 多 萜 类 合 成 的 分 支 点 上 ， 该 酶 促 反 应 被 广 泛 认 为 在 萜 类 合 成 中 是 一 个 限 速 步 骤［１８］。廖 志 华 等 报 道 了 第 一 个 裸 子 植 物 红 豆 杉 的 ＦＰＳ 基 因 ， 全 长 为 １ ４６４ｂｐ 编 码 １ ０５６ｂｐ３５１ 个 氨 基 酸 的 蛋 白 质 ， 等 电 点 ５．０ 左 右 ， 植 物 的 典 型 １３ 个 螺 旋 排 列 在 一 个 中心沟周围催化反应的发生。生物信息学表明 ＴｍＦＰＳ１ 是 功 能 基 因 ， 并 得 到 一 个 缺 失 酵 母 突 变 体 ， 为将来研究次生代谢途径的流向调控和分子遗传 提 供 了 帮 助 。２０ 世 纪 ７０￣８０ 年 代 ， 以 Ｕｔａｈ 州 州 立 大 学 的 Ｌａｓｋｏｖｉｃｓ 和 Ｐｏｕｌｔｅｒｔ 为 主 的 许 多 研 究 者 ， 用 多 种 传 统 的 生 化 方 法 分 析 了 ＦＰＳ 的 基 本 催 化 机 制 ， 解 决 了 一 些 ＦＰＳ 的 反 应 动 力 学 问 题 。 在 １９９４ 年 ， Ｍｉｌｌｅｒ 等 人 报 告 了 鸟 类 细 胞 的 法 呢 基 焦 鳞 酸 合 成 酶 的 立 体 结 构 ， 被 确 定 分 辨 率 是 ２．６ 埃 ， 该 酶 具 有 １３ 个 螺 旋 组 成 的 折 叠 ， ７ 个 螺 旋 （ ｈｅｌｉｃｅｓ） 构 成 １ 个 大 的中心沟。活性位点位于中心沟， 而且 ２ 个保守区 位 于 中 心 沟 的 两 侧 ， 同 时 表 明 ＦＰＰ 合 成 酶 是 一 个 同 源 二 聚 体 ， 定 点 突 变 技 术 分 析 （ Ｓｉｔｅ －ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｍｕｔａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ） ， 初 步 阐 述 该 保 守 区 在 催 化 功 能 中 的 作 用 。目 前 对 异 戊 烯 焦 磷 酸 合 成 酶 的 研 究 主 要 集中在合成酶如何能正确选择所需碳数的底物进 行 催 化 形 成 更 长 的 碳 链 化 合 物 方 面 ［１９］。 １９９６ 年 ， Ｗａｎｇ 等 人 以 Ｘ－射 线 分 析 在 有 无 烯 丙 基 底 物 结 合 的 情 况 下 突 变 的 ＦＰＰ 合 成 酶 的 结 构 。由 正 常 和 突 变 的 ＦＰＰ 合 成 酶 结 构 比 较 分 析 ， 得 出 聚 类 异 戊 二 烯 链
收稿日期： ２００６－１０－３０ 作者简介： 陈新（ １９８０－） ， 男， 硕士生， 研究方向： 植物次生代谢及分子调控 通讯作者： 张元湖（ １９６３－） ， 教授， 博导； Ｔｅｌ： ０５３８－８２４１７４９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｙｈｚｈａｎｇ＠ｓｄａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
６８
生物技术通报 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
法呢基焦磷酸合酶作为一种异戊烯基转移酶， 研 究 最 广 泛［６］。 棉 花 的 ＦＰＳ 三 级 结 构 已 经 被 研 究 报 道 （ Ｔａｒｓｈｉｓ ｅｔ ａｌ， １９９４） 。２０ 世 纪 ９０ 年 代 以 来 ， 人 们 通 过 功 能 互 补 、ＰＣＲ、筛 选 ｃＤＮＡ 文 库 的 方 法 从 拟 南 芥 菜 ［７］、青 蒿 ［８］、胡 椒 薄 荷 （ Ｍｅｎｔｈｏｒ ｐｉｐｅｒｉｔｅ） ［９］、百 羽 扇 豆 （ Ｌｕｐｉｎｕ ａｌｂｕ） ［１０］、玉 米 、银 胶 菊 、辣 椒 、和 棉 花 ［１１］ 等 ３０ 余 种 植 物 中 克 隆 出 编 码 法 呢 基 焦 磷 酸 合 酶 的 基因， 使植物内萜类物质代谢调控机制和植物抗病
（ １Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｂｉｏｌｏｇｙ， Ｔａｉａｎ ２７１０１８；２Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｏｍｏｌｏｇｙ， Ｔａｉａｎ ２７１０００）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｉｎ ｔｈｅ ｉｓｏｐｒｅｎｏｉｄ ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｐａｔｈｗａｙ， ｆａｒｎｅｓｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｓｙｎｔｈａｓｅ （ ＦＰＳ， ＥＣ２． ５． １． １／ ＥＣ２． ５． １． １０） ｃａｔａｌｙｚｅｓ ｔｗｏ ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｓｏｐｅｎｔｅｎｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｍｅｔｈｙｌａｌｌｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ， ｆｏｒｍｉｎｇ ｇｅｒａｎｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ （ ＦＰＰ） ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｔｅｒｏｌｓ， ｄｏｌｉｃｈｏｌｓ， ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， ｐｒｅｎｙｌａｔｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ａｎｄ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｅｓｑｕｉｔｅｒｐｅｎｏｉｄｓ． Ｒ ｅｃｅｎｔｌｙ， ｃＤＮＡｓ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ＦＰＳ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ． Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｂｉｏｓｙｔｈａｓｉｓ ｐａｔｈｗａｙ ａｎｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒｎｅｓｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ， ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ＦＰＳ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｇｅｎｅｔｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗａｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
近 来 研 究 发 现 质 体 中 缺 乏 ＨＭＧＲ 和 甲 羟 戊 酸 活 化 酶 ， 因 此 ， 存 在 着 ＩＰＰ 来 源 的 问 题 。１９９６ 年 ， Ｅｉｓｅｎｖａｉｃ 等 人 将 １３Ｃ－葡 萄 糖 和 １３Ｃ－乙 酸 加 入 到 红 豆 杉 培 养 细 胞 ， 发 现 １３Ｃ 标 记 进 入 紫 杉 烷 中 ， 因 此 认 为 紫 杉 醇 是 由 来 源 于 ＤＸＰ 的 ＩＰＰ 合 成 的［１５］， 该 研 究 结 果 导 致 了 类 异 戊 二 烯 另 一 途 径 被 发 现 ［１６， １７］， 称 为 非 甲 羟 戊 酸 途 径 （ ｎｏｎｍｅｖａｌｏｎａｔｅ ｐａｔｈｗａｙ） 或 非 依 赖 性 甲 羟 戊 酸 途 径 ， 亦 称 ２Ｃ－甲 基 ４－磷 酸－４Ｄ－赤 藓 糖 醇 途 径 （ ＭＥＰ ｐａｔｈｗａｙ） 或 丙 酮 酸／３－磷 酸 甘 油 醛 途 径 （ ｐｙｒｕｖａｔｅ／ｇｌｙｃｅｒａｌｄｅｈｙｄｅｓ ３－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｐａｔｈｗａｙ） （ 图 １ 中 Ｂ） 。该 途 径 以 糖 的 中 间 代 谢 物 丙 酮 酸 和 ３－ 磷酸甘油醛为前体， 在焦磷酸硫胺素依赖性脱氧木
摘 要： 法呢基焦磷酸合酶作为异戊二烯途径中的重要调节酶， 是许多萜类物质的合成前体。ＦＰＳ 的 ｃＤＮＡ 克隆在 许多生物体中也已得到了分离并进行了表达特性研究。从 ＦＰＰ 的生物合成途径入手， 对 ＦＰＰ 生物学特性、ＦＰＳ 酶基因调控 的相关信息进行了综述， 同时对 ＦＰＳ 在基因工程方面的应用进行了展望。
·综 述 与 专 论·
生物技术通报
ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＢＵＬＬＥＴＩＮ
２００７ 年第 ２ 期
法呢基焦磷酸（ ＦＰＰ） 的生物合成及其分子调控
陈新 １ 李玲玲 １ 吕慧贞 １ 刘庆忠 ２ 张元湖 １
（ １ 山 东 农 业 大 学 作 物 生 物 学 重 点 实 验 室 ， 泰 安 ２７１０１８； ２ 山 东 省 果 树 研 究 所 ， 泰 安 ２７１０００）
图 １ 类异戊二烯途径和 ＦＰＰ 的生物合成
酮 糖 ５－磷 酸 合 成 酶 （ ＤＸＳ） 的 作 用 下 ， 生 成 ５－磷 酸 脱 氧 木 酮 糖 （ ＤＸＰ） 。 下 一 个 步 骤 是 ＤＸＰ 还 原 异 构 酶 （ ＤＸＲ） ， 通 过 分 子 内 重 排 和 还 原 反 应 将 ＤＸＰ 转 变 ２Ｃ－甲 基 ４－磷 酸－４Ｄ－赤 藓 糖 醇 （ ＭＥＰ） 。
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｆａｒｎｅｓｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｅ 戊 二 烯 化 合 物 （ ｉｓｏｐｒｅｎｏｉｄ） 是 植 物 代 谢 过 程中重要的次生产物， 在自然界广泛分布， 是天然 物 质 中 种 类 繁 多 、化 学 结 构 较 多 的 一 类 化 合 物 ， ＦＰＰ 处在许多类异戊二烯化合物合成的分支点上， 该中 间物合成的酶促反应被广泛认为在萜类合成中是 一 个 限 速 步 骤［１］。ＦＰＰ 不 仅 是 许 多 重 要 初 生 代 谢 产 物 如 甾 体 、多 萜 醇 、泛 醌 等 的 合 成 前 体 ， 同 时 在 倍 半 萜 环 化 酶 的 作 用 下 ， 生 成 包 括 植 保 素 （ ｐｈｙｔｏａｌｅｘｉｎ） 和挥发油成份在内的倍半萜衍生物， 这些物质在植 物 生 长 发 育 或 抗 病 过 程 中 具 有 重 要 作 用 ［２， ３］。 法 呢 基 焦 磷 酸 合 酶 （ Ｆａｒｎｅｓｙｌ ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｓｙｎｔｈａｓｅ， ＦＰＳ， ＥＣ２． ５． １ ／ ＥＣ２． ５． １． １０） 是 类 异 戊 二 烯 途 径 中 的 一个关键酶， 它催化五碳原子的异戊烯基焦磷酸 （ ＩＰＰ） 和 二 甲 丙 烯 基 焦 磷 酸 （ ＤＭＡＰＰ） 以 １， ４ 头 尾 连