西班牙科学家综述植物GGPP合成酶（GGPPS）研究进展

从大航海时代贵如黄金的香料里的神秘组合， 到古代“爆款”化妆品胭脂的主要成分，以及现代人类治疗癌症、疟疾等的重要药物如紫杉醇、青蒿素，我们总能发现萜类化合物的身影。实际上，除了这些丰富多彩的次生代谢产物外，萜类化合物还在植物的许多生理活动中发挥不可替代的作用。例如，萜类化合物是植物光合作用分子类胡萝卜素和叶绿素合成所必需；植物激素独脚金内脂、赤霉素以及脱落酸也是萜类化合物中的重要产物。植物能够合成多种多样的萜类化合物，而令人惊奇的是，这些化合物都是由最基本的五个碳原子的异戊二烯“积木”衍生而来。也正是因为这项发现，德国化学家奥托·瓦拉赫获得了1910年诺贝尔化学奖。

异戊二烯分子作为基本的“积木”单元，在植物体内如何被拼搭成各种各样复杂的结构，一直是植物分子学家和化学家迫切想要彻底解开的谜题。植物的胞质甲羟戊酸（MVA）途径和质体的2-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径均能够产生五碳的异戊二烯前体：类异戊烯基焦磷酸（IPP）及其异构体二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。通过IPP与DMAPP的不断缩合反应，可以产生十碳的牻牛儿基焦磷酸GPP，十五碳的法尼基焦磷酸FPP以及二十碳的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸GGPP等。而质体中由MEP途径产生的GGPP， 不仅为光合色素（类胡萝卜素和叶绿素）合成提供主要原料，也是质体醌和生育酚合成所必需，还是赤霉素等激素合成的重要前体物质。因此，植物的GGPP合成酶（GGPPS）在分配代谢流、调节二萜产物合成中发挥了重要作用。植物基因组中通常编码不止一个GGPP合成酶， 而这些GGPP合成酶的亚细胞定位也不尽相同，因此，解析这些GGPPS的物种特异性及时空特异性表达以及亚细胞定位、酶活调节机制及分子互作机理对于理解植物代谢调控及未来萜类代谢基因工程改良有着重要意义。

近日西班牙科学家M. Victoria Barja和Manuel Rodriguez-Concepcion在aBIOTECH上发表了“Plant geranylgeranyl diphosphate synthases: every (gene) family has a story”（点击题目查看原文）的综述文章。首先介绍了植物细胞中的异戊二烯代谢途径以及区室化的胞质甲羟戊酸（MVA）途径和质体的2-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径。GGPPS蛋白家族中不仅有质体定位，也有胞质/内质网定位。作为异戊二烯转移酶中的一类，GGPPS同样含有DDX2-4D以及DDX2D的保守氨基酸模体。异戊二烯转移酶的氨基酸序列可能决定了异戊二烯缩合产物链的长短，但是仅仅通过序列同源性分析还是难以预测这类异戊二烯转移酶的特异产物。因此，在植物体内，GGPPS的表达模式、亚细胞定位以及相互作用蛋白是决定其生物功能的主要因子。

随着许多物种的全基因组测序完成，越来越多物种的GGPPS同源基因被鉴定出来，但是目前为止，系统的GGPPS家族功能鉴定还是仅限于少数物种。因此，本文章着重介绍了目前在模式植物拟南芥、重要粮食作物水稻、以及经济作物番茄和辣椒中对GGPPS的研究，这些研究包括了表达模式分析，亚细胞定位，体内和体外酶活鉴定，蛋白-蛋白相互作用解析以及遗传分析。这些研究为了解植物如何通过GGPPS平衡异戊二烯代谢途径在光合色素合成、激素合成及其它二萜产物代谢之间的合理分配提供了线索。此外，不同物种中的研究也表明某一物种中的酶活调节机制并不能直接适用于另一物种。因此，未来对GGPPS的物种、器官和组织特异性的功能探索会为萜类代谢工程提供更多线索和指导。

完整文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42994-021-00050-5