调节查尔酮合酶的分子机制及查尔酮异构酶样蛋白的作用

植物色彩与人类健康

我们在花、果实和叶子中看到的鲜艳红、紫和黄，很多来自类黄酮——这类植物化学物质在人体饮食中也具有强大的抗氧化作用。本研究深入探究植物如何在分子水平上控制类黄酮合成的第一关键步骤，展示了一种小型辅助蛋白如何调节该过程以产生更多“正确”的产物。理解这一开关机制可能帮助育种者和生物技术专家提高作物中有益类黄酮的含量，并增强植物对逆境的抵抗力。

为何类黄酮重要

类黄酮是一个庞大的天然化合物家族，能保护植物免受紫外线、病原体和其他环境胁迫，并与人类的抗炎与心脏保护效应相关。植物从共同前体L‑苯丙氨酸出发，通过一系列酶促反应合成类黄酮。其中最早且最关键的步骤之一由一种称为查尔酮合酶（CHS）的酶完成，CHS将碳流导向类黄酮途径。但CHS并非完全选择性：尽管它主要生成通往有益类黄酮的查尔酮，它也会产生不需要的副产物，这种现象称为催化多能性。这种“泄漏”会浪费细胞资源，并限制植物能够合成的类黄酮总量。

隐蔽的辅助因子在发挥作用

植物也产生一种相关的蛋白，称为查尔酮异构酶样蛋白（CHIL）。与同类的查尔酮异构酶（CHI）不同，CHIL已丧失直接的催化活性，但先前的工作提示它与CHS有物理相互作用并能提高CHS的性能。本研究首先确认了CHS和CHIL基因在拟南芥叶片的特定细胞和发育阶段中共表达，尤其是在外层细胞层——光照和胁迫暴露最高的部位。随后在试管反应中，他们证明向CHS体系中加入CHIL可降低偏离产生的副产物水平，并提高所需类黄酮前体柚皮苷（naringenin）的形成，表明CHIL作为辅助因子使CHS的产物组合更为精确。

窥见分子伙伴关系

为了解CHIL如何微调CHS，研究团队解析了CHS–CHIL复合体的晶体结构至原子分辨率。结构显示出花状的组装：一对中心CHS酶，每个酶的一侧各结合一个CHIL分子。CHIL并未显著重塑CHS的核心结构，但通过两个主要接触面与之相连，这两处接触共同围绕酶的一部分形成倒“L”形。一个关键特征是CHIL上一个小的突出环状结构，称为β‑发夹，它插入到CHS底物结合口的入口处。对这些接触区域（在任一蛋白上）中的氨基酸进行突变，会削弱它们的相互作用并在很大程度上消除CHIL增强CHS活性与专一性的能力，表明紧密的物理对接是必需的。

加速反应的可移动闸门

通过结合结构数据、生化测试和计算模拟，作者提出CHIL像一个可移动的闸门覆盖在CHS的口袋上。当CHS结合起始底物时，CHIL的β‑发夹环会改变位置，帮助将底物引导到更稳定的构象，同时便于反应副产物CoA离开。这加快了催化循环，并有利于主要类黄酮前体的形成而非副产物。在CHIL的环中，位于第36位的单个氨基酸尤为重要：将该位点的组氨酸替换为某些疏水残基，尤其是亮氨酸，能显著增强CHIL刺激CHS的能力。这一替换不仅在拟南芥中有效，在CHIL与来自水稻、玉米、大豆乃至银杏的CHS配对时也同样有效，凸显出一种深度保守的机制。

演化与未来应用

研究者在陆生植物中——从苔藓和蕨类到针叶树和被子植物——的比较中发现，CHIL蛋白及其CHS伙伴广泛存在，且关键接触残基高度保守。在所有测试的物种中，CHIL均提高了对应CHS的活性和产物选择性，且在一些更古老的植物谱系中作用尤其显著。依据这一进化模式，团队设计了新的CHIL变体，例如模拟古老植物版本的双重变更，并证明这些变体能进一步提高CHS效率。这表明天然界在数亿年的演化过程中，确实对“闸门”设计进行了多样化尝试以调节类黄酮产量。

对植物和人类的意义

通俗地说，这项工作表明CHIL是一个智能的分子助理，它附着于CHS、稳住其“手”，并帮助将更多原料转化为有用的类黄酮而非废物。通过揭示详细的“锁与钥匙”接触位点以及控制酶口袋通道的关键环结构，研究为工程化作物以提高或定制类黄酮含量提供了蓝图。这样的作物可能更能抵御阳光、干旱和病害，并可能通过富含类黄酮的食物为人类提供更大的营养益处。

引用: Wang, S., Ma, LY., Xu, ZG. et al. Molecular mechanism underlying regulation of chalcone synthase by chalcone isomerase-like protein. Nat Commun 17, 3992 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70563-4

关键词: 类黄酮生物合成, 查尔酮合酶, 蛋白质–蛋白质相互作用, 植物代谢, 代谢工程