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王一
从单细胞藻类到复杂的种子植物，从水生到陆生，植物界的演化历史漫长而复杂，期间历经巨大的环境变化和严峻的生存挑战。作为最古老的植物激素之一，乙烯的出现在不断变化的环境与植物的发育适应性之间发挥着重要的桥梁作用。在种子植物中，乙烯的生物合成主要经过三步重要的催化反应，其中ACC合酶（ACCsynthase,ACS）催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）形成1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）是限速步骤，这一路径也常被称为ACC依赖的乙烯合成路径（ACC-dependentpathway），但人们对这一路径及其关键酶ACS的分子演化历程所知甚少，相关领域还存在着大量空白亟待填补。在非种子植物中，乙烯合成的效率和水平远低于种子植物，乙烯合成的路径仍不清晰，一般认为不同的非种子植物中可能存在着ACC依赖和未知的非ACC依赖路径两种类型。
种子植物的乙烯合成关键酶ACS属于磷酸吡哆醛（Pyridoxal-5’-Phosphate，PLP）依赖型蛋白酶的α超家族。除ACS外，这个超家族的其他亚族还包括氨基转移酶和C-S裂解酶等。传统观念认为，ACS基因起源于由氨基转移酶基因演化而来的ACS-like基因。但是，前人研究中无论是活性测定还是生物信息学分析，都未包括同属一个超家族的C-S裂解酶，这一缺失可能造成对ACS起源认知的偏差。此外，在单细胞藻类基因组中就已存在ACS同源基因，但植物在演化进程中的哪个阶段获得了能够编码真正的ACS酶的能力还不清楚。
年11月10日，南开大学生命科学学院王宁宁教授团队联合南开大学药物化学生物学国家重点实验室、细胞应答交叉科学中心的结构生物学家饶子和院士团队和美国内华达大学生物信息学家JefferyShen教授在Science子刊ScienceAdvances在线发表了题为DualactivitiesofACCsynthase:NovelcluesregardingthemolecularevolutionofACSgenes的研究论文。该研究发现，乙烯合成关键酶ACS具有双酶活性，并揭示其分子演化新路径。
研究人员发现，除了作为乙烯合成的限速酶催化以SAM为底物生成ACC的ACS活性以外，种子植物的ACS蛋白还普遍具有催化以胱氨酸或半胱氨酸为底物生成丙酮酸的Cβ-S裂解酶活性，而多个非种子植物的ACS-like蛋白包括较早登陆的苔藓植物小立碗藓中的PpACL1只具有Cβ-S裂解酶活性，暗示ACS可能起源于C-S裂解酶。
作者进一步解析了具有双酶活性的拟南芥AtACS7蛋白及其C-S裂解酶单酶活突变体R6的晶体结构，通过对ACS双酶活性中心的关键位点进行分析鉴定，结合点突变和结构域互换蛋白的酶活测定和系统进化分析等，发现相应于拟南芥AtACS7蛋白第98位的谷氨酰胺残基（简称为Q98）是真正的ACC合酶所特有的位点。进一步对不同来源的典型ACS、C-S裂解酶和氨基转移酶进行MEME分析，发现三类酶的C末端十分保守，而N末端差异显著，真正的ACS蛋白都具有两个独特的N端保守域，且Q98相应位点恰好位于第二个保守域中。综合结构生物学与生物信息学分析结果，作者提出了真正具有ACS活性蛋白的标准结构模型，共由9个保守的ACS结构域（命名为ACS-motif1-9）组成，并且其N端第二个ACS-motif中要含有相应于Q98的保守谷氨酰胺位点。依据这一模型，作者以AtACS7的两个N端保守域替换小立碗藓Cβ-S裂解酶PpACL1的N端序列，发现所形成的N7-PpACL1重组酶如期获得了ACS活性。作者进一步克隆了位于不同演化地位的从单细胞绿藻到种子植物中共29个ACS-like基因，对其编码产物进行结构域分析和ACS与Cβ-S裂解酶双酶活性测定，并对文献中已报道的23个ACS蛋白进行结构特征与ACS活性的对应分析，发现上述所有活性测定和结构域分析结果均支持作者所提出的ACS标准结构模型。
图.ACS标准结构模型的验证
除此以外，作者还根据蛋白晶体结构解析和关键位点的点突变研究，提出了ACS双酶活性的催化机制。与传统观念中PLP依赖酶在催化过程中，外醛亚胺去质子化时需要形成一个醌型中间体不同，作者提出具双酶活性的ACS仅在发挥Cβ-S裂解酶活性时依赖醌型中间体的形成，而其行使ACC合酶功能时则能够以一种不依赖醌型中间体的方式催化ACC的合成。
综上所述，该研究打破了乙烯合成关键酶ACS起源于氨基转移酶的传统观念，为ACS基因的分子演化提供了新的视角。提出演化过程中N末端两个保守域包括Q98相应位点的获得是植物ACS-like蛋白获得ACS活性的关键事件，并提出了ACS标准结构模型。通过对来源于不同演化地位植物的ACS-like蛋白的活性测定与结构域分析，证明ACC依赖的乙烯合成路径是种子植物所特有的，厘清了非种子植物中可能有依赖和不依赖ACC的两种乙烯合成路径并存的传统观念。此外，研究人员还解析了典型的ACS双酶及其单酶突变体的蛋白晶体结构，提出了种子植物ACS双酶活性的新催化机制。尤为重要的是，作为Cβ-S裂解酶时ACS的催化产物之一丙酮酸是糖酵解的终产物和线粒体三羧酸循环的能量底物，在植物生长发育和抵抗多种逆境胁迫中发挥重要作用。ACS蛋白具有双酶活性的发现，为人们对ACS基因功能的认知带来了传统观念以外的一个崭新视野，开辟了新的探索领域，相信对相关领域的深入研究，将为我们更好地了解ACS基因家族的功能以及乙烯合成的调控带来突破。
南开大学王宁宁教授和饶子和院士团队李鑫副教授以及美国内华达大学JefferyShen教授为文章共同通讯作者，南开大学研究生徐畅、郝博威、孙公岭以及青年教师梅圆圆为共同第一作者。
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