萜类是自然界中种类最多的天然产物。一些萜类化合物(如类胡萝卜素、叶绿素、赤霉素)对植物的生长发育至关重要，而另一些(如单萜、二萜植保素等)则在植物对环境的适应过程中发挥作用。很多萜类化合物还是重要的药用成分(如青蒿素、紫杉醇等)。在这些化合物的合成途径中，其链长受到不同异戊烯基转移酶的决定。异戊烯基转移酶中的法尼基二磷酸合酶(FPPS)在细胞质中产物C15的代谢中间产物FPP，用于合成倍半萜(如青蒿素)和三萜(如甾醇)；而在叶绿体中牻牛儿基二磷酸合酶(GPPS)产生C10的GPP用于合成挥发性的单萜化合物(如柠檬烯、芳樟醇)，牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶(GGPPS)则催化合成C20的GGPP，用于包括类胡萝卜素、叶绿素、维生素E等一系列重要化合物的合成。

该生命科学学院卢山教授团队的研究描述了植物在进化中由GGPPS逐渐获得GPP合成能力，并最终形成GPPS的过程，并且利用分子动力学模拟等手段解析了决定产物链长的两个氨基酸位点。

在以往的报道中，GPPS通常出现在裸子植物中，而被子植物往往利用一个I类小亚基蛋白(SSUI)通过蛋白-蛋白相互作用，将GGPPS的产物从C20的GGPP“临时”修改为C10的GPP。在2017年，卢山教授课题组在水稻中发现了一个真正的GPPS，并由此展开了对GPPS起源与演化的研究工作(Zhou et al. 2017. PNAS. 114: 6860-6865)。在近日发表的论文中，通过对来自不同物种的一系列GGPPS的功能鉴定，他们发现在蓝细菌和藻类植物中，GGPPS通常只能专一地合成GGPP。随着在苔藓植物中的基因家族扩张，一些GGPPS逐渐产生了合成GPP的能力，而这一能力在蕨类植物中得到发展，并最终形成裸子植物中功能专一的GPPS (图1)。与此同时，在苔藓植物中还出现了由GGPPS向无催化功能的小亚基蛋白的分化。该分化首先在蕨类和裸子植物中形成了对GGPPS酶活具有促进能力的II类小亚基(SSUII)，并最终在被子植物中产生了能够改变GGPPS用于合成GPP的I类小亚基(SSUI) (图1)。利用GGPPS-SSUI组合取代单一的GPPS来产生GPP，在保障GGPPS功能(植物的生长和发育)的前提下，赋予了被子植物萜类代谢更大的自由度。

图1. 植物GPPS的进化途径 

在对水稻GPPS的功能解析中，他们发现GGPPS的一个亮氨酸-缬氨酸(LV)氨基酸对如果突变为缬氨酸-丙氨酸(VA)，则产物从GGPP变为GPP。这两个氨基酸在GGPPS容纳反应中间产物和催化进一步延伸的过程中至关重要。这一发现解释了裸子植物中GPPS的产生过程。此外，本研究首次将分子动力学模拟技术应用于异戊烯基转移酶的功能解析。研究表明，在GGPPS的VA突变体中，位于VA位点附近的多个氨基酸之间的距离缩短，减少了反应腔对较大中间产物的容纳能力(图2)；而与此同时，GGPPS突变体中GPP与IPP的距离加大，难以进行下一步的延伸反应，因此更加趋于释放GPP作为催化的最终产物(图3)。

图2. GGPPS中LV–VA突变导致多个相邻氨基酸之间距离缩短。

图3. LV–VA突变影响了产物延伸。(A) GPP (C10)需要与IPP (C5)缩合产生更长的中间产物FPP (C15). (B) 分子动力学模拟显示，VA突变体中GPP与IPP之间的距离加大。(C)和(D)分别为在野生型(LV)和突变体(VA)中的模拟示意图。

近日，该成果以The functional evolution of architecturally different plant geranyl diphosphate synthases from geranylgeranyl diphosphate synthase (https://doi.org/10.1093/plcell/koad083 )为题在植物学领域久负盛名的学术刊物The Plant Cell在线发表。本研究得到国家自然科学基金等项目的支持。研究人员来自南京大学、澳大利亚拉筹伯大学(La Trobe University和美国普渡大学(Purdue University)。该论文的第一作者是卢山教授实验室2017级博士研究生宋书言(现于浙江大学从事博士后研究)；该文来自La Trobe大学的共同第一作者金瑞涛、何思潼为我校2015届毕业生。