近日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辰山科學(xué)研究中心李建戌研究組在Nature Communications在線發(fā)表了題為Molecular mechanism underlying regulation of chalcone synthase by chalcone isomerase-like protein的研究論文。該研究首次解析了植物黃酮類化合物生物合成途徑關(guān)鍵酶—查爾酮合酶（Chalcone synthase，CHS）與IV型查爾酮異構(gòu)酶（chalcone isomerase-like protein，CHIL）形成的蛋白復(fù)合體高分辨率三維結(jié)構(gòu)，闡釋了CHIL調(diào)控CHS催化效率與產(chǎn)物特異性的分子機(jī)制，為深入理解植物次生代謝流的精準(zhǔn)調(diào)控提供了重要見解。

黃酮類化合物是植物體內(nèi)一類至關(guān)重要的次生代謝產(chǎn)物，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時(shí)因其顯著的抗氧化、抗炎、抗菌、抗病毒等生理活性而具有重要的食用和藥用價(jià)值。作為黃酮類化合物生物合成途徑中的第一個(gè)關(guān)鍵限速酶，查爾酮合酶（CHS）負(fù)責(zé)將代謝流從苯丙烷途徑引導(dǎo)到黃酮代謝途徑。然而，CHS本身存在“催化混雜性”，在酶活反應(yīng)中能生成大量副產(chǎn)物，從而限制了黃酮類化合物的合成效率。此前研究發(fā)現(xiàn)，CHIL可以與CHS發(fā)生相互作用并調(diào)控其酶學(xué)特性，但具體的分子機(jī)制并不清楚。

為解決這一科學(xué)問題，研究人員成功解析了CHS-CHIL蛋白復(fù)合體的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合生物化學(xué)分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬，逐步揭示了其調(diào)控機(jī)制。結(jié)構(gòu)與生化分析顯示，CHIL通過其-發(fā)卡結(jié)構(gòu)控制底物結(jié)合口袋入口的開關(guān)，從而調(diào)控CHS的功能。分子動(dòng)力學(xué)擬結(jié)果表明，CHIL對(duì)CHS產(chǎn)物特異性的調(diào)控可能發(fā)生在催化循環(huán)的早期階段，比如底物結(jié)合或中間體形成階段。CHIL借助-發(fā)卡結(jié)構(gòu)，通過促進(jìn)輔酶 A的釋放并協(xié)助CHS內(nèi)部關(guān)鍵氨基酸殘基的正確定位，增強(qiáng)CHS的酶活性與產(chǎn)物特異性。研究進(jìn)一步揭示了位于CHIL 蛋白β-發(fā)卡結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵功能位點(diǎn)—His36的重要作用，在擬南芥及多種植物中將該組氨酸突變?yōu)榱涟彼岷?，CHS的催化效率與產(chǎn)物特異性得到進(jìn)一步提升。

圖1：CHS-CHIL復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能。

a-b：IV型查爾酮異構(gòu)酶（chalcone isomerase-like protein，CHIL）可以調(diào)控查爾酮合酶（Chalcone synthase, CHS）的催化效率與產(chǎn)物特異性；c：CHS-CHIL復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)。

研究人員還追溯了CHIL蛋白的進(jìn)化過程，對(duì)從苔蘚到被子植物的多種陸生植物CHIL同源蛋白進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證實(shí)該分子調(diào)控機(jī)制在陸地植物演化過程中高度保守?；谶M(jìn)化分析結(jié)果，團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出CHIL 的突變體 H36E/F37T，該突變體在增強(qiáng)CHS酶活性、提升黃酮類化合物合成效率方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。考慮到黃酮類化合物不僅是作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的核心指標(biāo)，也是植物抵抗逆境脅迫的關(guān)鍵因素，這一調(diào)控機(jī)制的強(qiáng)化可以為作物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、提升營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提供了關(guān)鍵的分子改良靶點(diǎn)。

圖2：CHIL調(diào)控CHS活性的分子機(jī)制。

在沒有CHIL結(jié)合時(shí)，CHS的催化效率較低，且因產(chǎn)物CoA釋放緩慢而產(chǎn)生更多副產(chǎn)物；當(dāng)CHIL與CHS結(jié)合后，其?-Hairpin結(jié)構(gòu)不僅能加速CoA釋放，還可以穩(wěn)定CHS活性位點(diǎn)的正確構(gòu)象，所以CHS的催化效率顯著提高，副產(chǎn)物大大減少。

該研究是李建戌研究團(tuán)隊(duì)在植物次生代謝調(diào)控領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展。研究揭示的CHS-CHIL復(fù)合體結(jié)構(gòu)與分子調(diào)控機(jī)制信息，不僅回答了該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，深化了對(duì)黃酮代謝流調(diào)控核心元件的認(rèn)知，也為未來(lái)通過分子設(shè)計(jì)改良作物黃酮類化合物的含量與組成、培育優(yōu)質(zhì)抗逆新品種提供了直接的理論指導(dǎo)和潛在的蛋白工程改造靶點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辰山科學(xué)研究中心的研究生王淞、科研助理馬立瑩和分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的徐洲更博士為該論文的共同第一作者，李建戌研究員為該論文的通訊作者。上海師范大學(xué)的俞芳副研究員，分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的王佳偉研究員、張鵬研究員、朱木蘭研究員、郝潔副研究員和馬妙蓮正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，山東大學(xué)的程愛霞教授，上海辰山植物園的許晶晶副研究員等也參與了研究和討論。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目以及上海市綠化和市容管理局科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目等的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70563-4