全 文 ：研究报告
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 1期
植物型聚酮合酶基因家族的分子进化分析
王波 孙君社 翟玉盼 孙立伟 张秀清
(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083 )
摘 要: III型聚酮合酶 ( type III polyke tide synthase, PKSIII)广泛存在于细菌、真菌和植物中, 目前数据库中已积累了大
量的序列资料。为了进一步了解植物型聚酮合酶基因家族的分子进化,以及其作为系统进化研究材料的可能性, 选取了 75
条来自不同植物物种包括苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的 PKSIII蛋白序列, 用 CLUSTAL X软
件对其氨基酸序列进行了比对 ,并用邻位相接法构建了系统进化树。结果表明, 尽管不同来源的 PKSIII序列表现了很大的差
异, 但保守结构域 CH S- like所包含的主要功能位点半胱氨酸 ( Cy s184 )、苯丙氨酸残基 ( Phe236和 Phe286)、组氨酸残基
( H is335)、天冬酰氨残基 ( A sn369)在各植物物种中具有很好的保守性; 同时发现 ,在植物 PKSIII序列中多数的 Cys位点均具
有较好的保守性, 而且蕨类植物 PKSIII和单子叶植物 PKS III在 Cys保守位点有很好的相似性;进一步构建分子进化树表明,
PKSIII基因基本上首先根据功能而聚类,明显地划分为 CH Ss和 non-CH Ss两类, 其次按照不同的植物物种聚类。
关键词: 植物 III型聚酮合酶 序列比对 分子进化
Molecular Evolution of P lant-specific Type III PKS Fam ily
W ang Bo Sun Junshe Zha iYupan Sun L iw ei Zhang X iuqing
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China A griculture University, Beijing 100083)
Abstrac:t Enzym es o f the type III polyke tide synthase ( PKSIII) is w ide ly d istributed in bacter ia, fung i and plan ts, and a num ber
o f PKSIII sequences are inc luded in the searchable databases. To further study them o lecular evo lution patterns of PKSs and the feasibi-l
ity o f species plant-specific type III PKS gene fam ily, in th is research, 75 PKSIII sequences from m oss, ferns, gymnosperm s, m onoco ts,
d icots we re co llected from GenBank database. A ll sequence a lignm ents were perform ed using program C lusta l X. The evo lutionary tree
w as constructed by ne ighbor ing- jo in ing m ethod. The am ino acid sequence a lignm ent of a ll p lant-spec ific type III PKS sequences con-
firm ed that the key func tion sites ( Cys184, Phe236, Phe286, H is335, A sn369) w ere strictly conserved, and the conserved cyste ine sites
o f ferns and monoco ts w ere found to be s im ila r. The constructed evo lutionary treem an ifested that basica lly therew ere two m ain groups,
inc luding CHSs and non-CHSs. Furtherm ore, m oss, ferns, gym nosperm s, monoco ts, dico ts o f p lant-spec ific type III PKS in the respectiv e
fram es o f CHSs and non-CHSs groups a lso form ed independent clade.
Key words: P lant- spec ific type III PKS Sequence alignm en ts M olecular evolution
收稿日期: 2010-10-20
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目 ( 2010 JS083)
作者简介:王波,女,硕士研究生,研究方向:植物次生代谢; E-m ai:l victory2009@ 163. com
通讯作者:张秀清,女,副教授,博士,研究方向:植物次生代谢; E-m ai:l xiuq ingzh ang@ cau. edu. cn
聚酮化合物是功能和结构最多样化的天然产物之
一,它们是一类含有碳、氧原子构成的大环结构的次生
代谢产物,广泛分布于生物界,具有抗菌、抗肿瘤、抗寄
生虫和免疫抑制等药理活性,它们形成的药物已用于
抗菌、抗癌、降压、降脂、治疗糖尿病和提高免疫力等疾
病 [ 1]。聚酮化合物是通过聚酮合酶 ( po lyketide synthas-
es, PKS)的催化作用生成的 [ 2]。目前, 根据蛋白结
构的差异, 聚酮合酶可以分为 I型、II型和 III型 3
种类型 [ 3- 5]。其中 I、II型 PKS仅存在于微生物界,
I型 PKS是由几个多功能多肽组成, 含有多个结构
域的模块酶,是目前研究较为透彻的酶; II型 PKS
是一个多功能酶的复合体, 含多个单功能亚基, 其
作用机制目前仍然不是十分清楚; III型 PKS是日
本学者于 1999年发现 [ 6] , 由 40- 45 kD的二聚体
蛋白组成,主要分布于植物界, 但在少数细菌和真
菌中也存在。 III型 PKS与 I型和 II型 PKS催化机
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
制存在较大差异, 直接作用于酰基 CoA, 而不依赖
ACP活化酰基 CoA, 被认为是真菌色素和植物化
学成分合成过程中的重要酶类 [ 7 ]。 III型 PKS能
够催化多种天然聚酮化合物如花青素、查尔酮、二
苯乙烯、苯甲酮、吖啶酮、间苯三酚、吡喃酮和苯并-
-吡喃酮等含有黄酮类骨架结构的化合物的生物
合成,使植物拥有抗氧化、抗诱变、抗紫外辐射和
抗病害侵扰等抵御外界胁迫的能力 [ 8 ]。聚酮类化
合物优越的生物活性使之具有巨大的开发潜力和
药用价值。
目前 GenBank登录的 III型 PKS的 mRNA全序
列超过 1 000条,对 CHS及其超家族成员的研究无论
是核酸水平还是蛋白水平都已较为深入 [ 9]。人们已
经从苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和
双子叶植物中克隆了多种植物 III型 PKS的基因组
DNA或 cDNA序列。生物信息学数据库中积累了大
量的 PKSIII基因和氨基酸序列数据, 同时对 PKSIII
基因家族的分析也取得了一定的进展 [ 10, 11]。但是,
相对于迅速增长的 PKSIII基因序列数据来说,对所有
可利用的 PKSIII基因家族数据的系统的数据挖掘、研
究和分析仍然缺乏。
本研究旨在对数据库中已登录的苔藓类植物、
蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的
PKSIII基因进行广泛地序列收集、同源比对,详细地
描述其进化关系,揭示它们之间序列的异同,以便更
好地区分植物 PKS III基因家族的不同成员, 为研究
该基因家族的系统进化和新功能基因的获取提供参
考,同时为植物 PKSIII基因家族的理论研究和实际
应用提供依据。
1 材料与方法
11 数据来源
数据资料来源于 G enBank数据库, 搜索下载
苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和
双子叶植物中的 PKSIII基因序列及其氨基酸序
列, 研究中所用的 PKSIII序列见表 1, 从数据库中
共下载了 75条 PKSIII序列, 均具有完整的开放阅
读框,编码 PKSIII, 其中 3条苔藓类植物 PKS III, 5
条蕨类植物 PKSIII, 4条裸子植物、63条被子植物
PKSIII, 其中 7条是单子叶植物 PKSIII, 56条为双
子叶植物 PKS III。
1. 2 序列比对和基因结构分析
利用 CLU STAL X软件, 对 PKSIII基因家族的
氨基酸序列进行多序列比对,采用默认参数设置。
1. 3 系统进化树分析
以氨基酸全序列比对结果为基础,用 MEGA40
软件构建系统进化树。采用 Ne ighbor- jo in ing法运行
如下参数: Po isson correction模式,缺口设置为 Pair-
w ise Delet ion,校验参数为 Bootstrap= 1 000。
2 结果与分析
2. 1 植物 PKSIII保守结构域分析
利用 CLUSTAL X软件对 75条植物 PKS III的氨
基酸序列进行了同源比对。结果表明,不同来源的
PKSIII基因的氨基酸序列差异很大,但仍有 1个保守
结构域存在,即结构域 CHS-like。结构域 CHS-like是
PKSIII氨基酸序列的功能区域,它包含 4个功能位
点,分别为活性位点、产物结合位点、丙二酰辅酶 A结
合位点和二聚体界面结合位点。
2. 1. 1 活性位点 ( act ive site) 活性位点中的甘氨酸
残基 ( G183)在苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单
子叶植物和双子叶植物中高度保守; 组氨酸残基
(H335)在绝大多数物种中也是保守的,只在双子叶
植物 Raphanus sativus CHS中发生了 H /S(丝氨酸 )的
替换;天冬酰氨残基 ( N369)在绝大多数物种中较保
守,仅在双子叶植物 Raphanus sativus CHS中没有出
现。绝大多数植物 PKSIII的氨基酸序列的活性位点
均有很好的保守性。
2. 1. 2 产物结合位点 ( product b inding site) 产物结
合位点中的 E212(谷氨酸残基 )在苔藓类植物、蕨类植
物、裸子植物和单子叶植物中是保守的,仅在双子叶植
物Humulus lupulus CHS中发生 E /D(天冬氨酸 )替换。
G277仅在双子叶植物中发生替换, 在 Aloe ar-
borescens, G erbera hybrid, Rheum palmatum, H yp ericum
perforatum, Hypericum androsaemum, P lumbago indica,
Ip omoea purpurea中发生 G /L替换,在豆科植物 Sor-
bus aucuparia出现 G /A替换。 P415(脯氨酸 )在苔
藓类植物、蕨类植物和单子叶植物中是保守的,在裸
子植物 P inus sylvestris STS和双子叶植物 Raphanus
sativus CHS中发生突变。
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2011年第 1期 王波等 :植物型聚酮合酶基因家族的分子进化分析
表 1 植物 PKSIII基因家族序列资源
编号 基因名称 物种 序列号 分类
1 STCS2 Ma rchan tiaP olym orpha AAW 30010 苔藓植物门
2 CHS-lik e Ma rchan tia paleacea BAD42328 苔藓植物门
3 CHS Physcom i trella patens ABB84527 苔藓类植物
4 VPS P silotum mudum BAA87923 蕨类植物门
5 CHS P silotum mudum BAA87922 蕨类植物门
6 STS P silotum mudum BAA87924 蕨类植物门
7 CHS-lik e Huperzia serra ta ABI94386 蕨类植物门
8 CHS Equ ise tum arvense Q9M BB1 蕨类植物门
9 CHS P inu s sylv estris CAA43166 裸子植物门
10 STS P inu s sylv estris AAB24341 裸子植物门
11 CSF7 P icea mariana AAF35890 裸子植物门
12 CHS1 P inu s rad iata AAB80804 裸子植物门
13 CHS Oryza sa tiva BAA19186 被子植物门单子叶植物
14 CHS Zea mays CAA42764 被子植物门单子叶植物
15 CHS T riticum aestivum AC J22498 被子植物门单子叶植物
16 PCS A loe arborescens AAX35541 被子植物门单子叶植物
17 B IS Pha laenopsis sp. pSPORT 1 CAA56276 被子植物门单子叶植物
18 B IS Bromh ead ia f in layson iana CAA10514 被子植物门单子叶植物
19 CHS8 Sorghum bicolor AAL49965 被子植物门单子叶植物
20 CHS A rabid op sis tha liana CAI30418 被子植物门单子叶植物
21 STS A rabid op sis tha liana NP_191915 被子植物门单子叶植物
22 CHS A rabid op sis lyra ta XP_002889339 被子植物门单子叶植物
23 CHS2 M ed icago sativa AAA02824 被子植物门双子叶植物
24 CHS Vit is rotund ifol ia ACN30003 被子植物门双子叶植物
25 CHS Vit is v in if era CAA53583 被子植物门双子叶植物
26 STS Vit is v in if era AAB19887 被子植物门双子叶植物
27 VPS Hum ulus lupu lu s BAA29039 被子植物门双子叶植物
28 CHS Hum ulus lupu lu s BAB47195 被子植物门双子叶植物
29 2-PS Gerbera hybrida CAA86219 被子植物门双子叶植物
30 CHS1 Gerbera hybrida CAA86218 被子植物门双子叶植物
31 CHS Pe tun ia hybrida CAA27718 被子植物门双子叶植物
32 CHS1 Cam ellia sinensis BAA05640 被子植物门双子叶植物
33 ALS Rheum pa lma tum AAS87170 被子植物门双子叶植物
34 BAS Rheum pa lma tum AAK82824 被子植物门双子叶植物
35 CHS Soybean CAA37909 被子植物门双子叶植物
36 CHS1 P isum sa tivum CAA44933 被子植物门双子叶植物
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
续表
编号 基因名称 物种 序列号 分类
37 STS A rachi s hypogaea AAA96434 被子植物门双子叶植物
38 CHS S ilen e la tif ol ia BAE80096 被子植物门双子叶植物
39 CHS Raphanus sativus BAG32254 被子植物门双子叶植物
40 CHS Sorbu s aucuparia ABB89213 被子植物门双子叶植物
41 B IS Sorbu s aucuparia ABB89212 被子植物门双子叶植物
42 B IS3 Sorbu s aucuparia ACW82505 被子植物门双子叶植物
43 CHS A rtem isia annua ACY74337 被子植物门双子叶植物
44 CHS3 Brassica rapa ADF43044 被子植物门双子叶植物
45 CHS-lik e Populus trichocarpa XP_002326830 被子植物门双子叶植物
46 CHS Hyp ericum perfora tum AAL67805 被子植物门双子叶植物
47 PKS2 Hyp ericum perfora tum ABP98923 被子植物门双子叶植物
48 OKS Hyp ericum perfora tum ACF37207 被子植物门双子叶植物
49 BPS Hyp ericum perfora tum ABP49616 被子植物门双子叶植物
50 PKS2 Polygonum cu sp ida tum ABY47640 被子植物门双子叶植物
51 CHS Hyp ericum and rosaemum AAG30295 被子植物门双子叶植物
52 BPS Hyp ericum and rosaemum AAL79808 被子植物门双子叶植物
53 CHS1 Ru ta g raveolen s CAC14059 被子植物门双子叶植物
54 ACS2 Ru ta g raveolen s CAC14058 被子植物门双子叶植物
55 CHS2 Ru ta g raveolen s CAC14060 被子植物门双子叶植物
56 CTAS Hydrangea macrophylla BAA32732 被子植物门双子叶植物
57 CHS Hydrangea macrophylla BAA32732 被子植物门双子叶植物
58 CHS Puera ria lobata BAA01075 被子植物门双子叶植物
59 CHS Phaseolus vulgaris CAA29700 被子植物门双子叶植物
60 PKS P lum bago ind ica BAF44539 被子植物门双子叶植物
61 PKS Wachendorf ia thyrsif lora AAW 50921 被子植物门双子叶植物
62 CHSB Ip omoea pu rpu rea AAC49030 被子植物门双子叶植物
63 CHSA Ip omoea pu rpu rea AAB02620 被子植物门双子叶植物
64 CHSLK N icotiana sylvestris CAA74846 被子植物门双子叶植物
65 CHSE N elum bo nu cif era ADD74171 被子植物门双子叶植物
66 CHS S irai tia grosvenori i ADF57184 被子植物门双子叶植物
67 CHS Chrysosplenium am ericanum AAB54075 被子植物门双子叶植物
68 CHS Fagopyrum escu len tum ACZ51476 被子植物门双子叶植物
69 CHS Fagopyrum ta taricum ADH 03587 被子植物门双子叶植物
70 CHS Fagopyrum d ibotrys ACZ48699 被子植物门双子叶植物
71 CHS Be tu la p endula CAA71904 被子植物门双子叶植物
72 CHS1 D ictamnus a lbu s CAH 61575 被子植物门双子叶植物
73 CHS Ca sua rina g lau ca CAA10641 被子植物门双子叶植物
74 CHS S enna alata AAM 00231 被子植物门双子叶植物
75 CHS Perilla f ru tescens BAA19656 被子植物门双子叶植物
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2011年第 1期 王波等 :植物型聚酮合酶基因家族的分子进化分析
2. 1. 3 丙二酰辅酶 A结合位点 (ma lony-l CoA bind-
ing site) 丙二酰辅酶 A结合位点的赖氨酸残基
( K74)在绝大多数物种中也是保守的, 仅在双子叶
植物 Fagopyrum tataricum CHS中没有出现 K74。甲
硫氨酸 (M 77)在各物种中均出现 M /V (缬氨酸 )、
M / I(异亮氨酸 )、M /L(亮氨酸 )替换;仅在 A rabidop-
sis thaliana CHS中发生 M /S (丝氨酸 )替换; 在
Fagopyrum tataricum CHS中发生突变。
苯丙氨酸 ( F236 )在苔藓类植物、蕨类植物、裸
子植物和单子叶植物是高度保守的; 在双子叶植物
Rheum palmatum BAS和 Polygonum cusp idatum PKS2
中发生了 F /L (亮氨酸残基 )替代。 F286 (苯丙氨
酸 )在苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物和单子叶植
物是高度保守的; 仅在 Polygonum cusp idatum PKS2
中发生 F /C (半胱氨酸 )替换, H ypericum perforatum,
Hypericum androsaemum, Sorbus aucuparia发生了 F /
Y (酪氨酸 )替换。G338 (甘氨酸残基 )仅在 Rapha-
nus sativus CHS中发生了突变。
P339(脯氨酸残基 )在 Raphanus sativus CHS中
发生了突变,在双子叶植物 Ipomoea purpurea中出现
了 P /N(天冬酰胺 )替换。A340 (丙氨酸残基 )仅在
Hypericum perforatum BPS, Hypericum androsaemum
BPS中发生了 A /G (甘氨酸 )替换,在 Raphanus sati-
vus CHS中发生突变。
2. 1. 4 二聚体界面结合位点 ( dim er interface ) 所
有物种的 E199 (谷氨酸残基 )、Q183 (谷酰胺 )和
R192(精氨酸 )均是高度保守的。 D196 (天冬氨
酸 )、N200(天冬酰胺残基 )和 N201的变异主要发
生在单子叶植物 Phalaenopsis sp. pSPORT1 B IS和
Bromhead ia f inlay soniana B IS中。双子叶植物 Silene
latifo lia CHS的 V174 (缬氨酸 )发生了 V /T (苏氨
酸 )替换和N icotiana sylvestris CHSLK发生 V /I(异亮
氨酸 )替换。双子叶植物 A loe arborescens PCS的
R176(精氨酸 )发生了 R /K (赖氨酸 )替换。T418在
苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物是高
度保守的; 在双子叶植物中 Wachendorf ia thyrsif lora
PKS发生了 T /S替换, Raphanus sa tivus CHS发生了
T /L替换, S ilene latifolia CHS发生了突变。
2. 2 保守的半胱氨酸残基 ( C )
对不同来源的 PKSIII序列进行同源性比对发
现, 在苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物
和双子叶植物的 PKS III中各有自身保守的半胱氨
酸残基 ( Cys)位点, 植物 PKS III中有 1个特异的保
守 Cys184位点。
在苔藓类植物 PKSIII中, Cys66、Cys90 和
Cys170位点是完全保守的。蕨类植物 PKS III中,
C ys70、Cys140、Cys174和 Cys200位点均有很好的保
守性。 Cys在裸子植物 PKSIII中, Cys67、Cys91、
Cys138、Cys172、Cys198、Cys245和 Cys350均有很好
的保守性。单子叶植物 PKSIII中, Cys72、Cys142、
Cys176和 Cys202有较好的保守性。所有比对的双
子叶植物 PKSIII中, Cys47、Cys78、Cys102、Cys148、
Cys183和 Cys209均有很好的保守性。
相对来说,蕨类植物和单子叶植物的 PKS III在
保守的 Cys位点有很好的相似性,同源比对结果揭
示, 在 Cys72、Cys96、Cys142、Cys176和 Cys202均有
很好的保守性。
植物 PKSIII中有 1个特异的保守 Cys184位点。
另外, 除了 Fagopyrum tataricum 和 Arabidop sis thali-
ana的两个 PKS III外, Cys78在苔藓类植物、蕨类植
物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物 PKSIII中
均保 守。同 时, Cys47、Cys102、Cys149、Cys184、
Cys210和 Cys374也有较好的保守性。
2. 3 苔藓类植物和蕨类植物 PKSIII的比较分析
本研究分析了 8条苔藓类植物和蕨类植物PKSIII
序列,其中包括 3条苔藓类植物 PKSIII, 5条蕨类植物
PKSIII。苔藓类植物 (Physcom itrella patens和 P silotum
mudum VPS)和蕨类植物 (P silotum mudum CHS和 Eq-
uisetum arvense) PKSIII之间表现了很高的相似性,其
序列之间相似性在 51. 72% - 70. 31%之间 。
同源比对显示, 苔藓类植物和蕨类植物 PKSIII
有 122个高度保守的氨基酸残基, 其中除所有
PKS III所特有的 4个保守功能位点以及保守的 Cys
残基之外, Cys70高度保守,而且 Cys94和 Cys200也
有较好的保守性。
2. 4 裸子植物 PKSIII的比较分析
本研究涉及了 4条裸子植物 PKSIII序列, P inus
sy lvestris CHS 和 P icea mariana CSF7 相似性为
9275%,其余裸子植物,包括 P iceamariana和 P inus
rad iata, P inus sy lvestris STS和P inus sy lvestris CHS PK-
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
SIII序列之间相似性大小范围在 3971% - 7301%。
裸子植物 PKSIII存在 134个完全保守的氨基
酸残基,其中包含两个高度保守的 Cys,即 Cys67和
Cys172。除此之外, Cys91、Cys138、Cys198、Cys245
和 Cys350也有较好的保守性。
2. 5 被子植物 PKS III的比较分析
2. 5. 1 单子叶植物 PKSIII的比较分析 单子叶植
物,包括 Oryza sativa和 Z ea may s, Triticum aestivum
和 Phalaenopsis sp. pSPORT1, 其 PKSIII序列之间
表现了很高的相似性,相似性大小范围在 31. 76% -
8902%。在单子叶植物 PKS III存在 98个完全保守
的氨基酸残基, 其中包含两个高度保守的 Cys, 即
Cys72和 Cys176。除此之外, Cys142、Cys202和
Cys365也有较好的保守性。
2. 5. 2 双子叶植物 PKS III的比较分析 本研究所
涉及的 56条双子叶植物 PKS III序列之间表现了很高
的相似性,相似性大小范围为 37. 56% - 9217%。双
子叶植物 PKSIII存在 30个完全保守的氨基酸残基,
其中包含两个高度保守的 Cys, 即 Cys72和 Cys183。
除此之外, Cys47、Cys78、Cys102、Cys148、Cys209和
Cys365也有较好的保守性。
2. 6 植物 PKS III系统进化树的构建
为了深入了解 PKSIII的进化、分类以及其作为
系统进化研究材料的可能性,对 75条来自不同物种
包括苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物
和双子叶植物的 PKSIII氨基酸序列进行比对, 并用
邻位相接法构建系统进化树 (图 1), 直观地揭示了
植物 PKS III之间的亲缘关系。
进化树按照功能的不同分成 CHSs和 non-CHSs
两大类群, CHSs位于树的基部, non-CHSs位于顶
部。在各类群中,又分别划分成苔藓类植物 PKSIII、
蕨类植物 PKS III、裸子植物 PKS III、单子叶植物 PK-
S III和双子叶植物 PKSIII不同的分支。同时发现,
双子叶植物 Vitis vinif era, Arachis hypogaea, A rabidop-
sis thaliana, 裸子植物 P inus sy lvestris以及蕨类植物
P silo tum mudum的 STS序列位于 CHSs分支中。 STS
序列在分子进化树上不形成一个独立的分支, 而与
同一科的物种中的 CHS基因在一起, 因此认为, STS
可能是由 CHS直接进化而来,并且这种进化关系在
不同物种中独立出现。蕨类植物 P silotum mudum 图 1 植物 PKSIII基因家族系统进化树分析
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2011年第 1期 王波等 :植物型聚酮合酶基因家族的分子进化分析
VPS和苔藓类植物 Marchantia Polymorpha STCS也
与同一科的物种中的 CHS序列在一起,说明 P silo-
tum mudum VPS和 Marchantia P olymorpha STCS序
列由 CHS进化而来。
3 讨论
3. 1 PKSIII保守性分析
植物 PKSIII中有 1个特异的保守 Cys184位点;
组氨酸残基 (H 335)和天冬酰氨残基 ( N369)各植物
物种中也具有很好的保守性。保守的半胱氨酸、组
氨酸和天冬酰胺是丙二酰 CoA参与脱羧反应和聚
酮链延伸的关键位点 [ 12]。苔藓类植物、蕨类植物、
裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的 PKSIII具有
相类似的代谢合成途径, 都经由丙二酰 CoA脱羧和
延伸生成聚酮化合物。
Jez等 [ 7]通过分析 PKSIII酶活催化位点认为,
导致底物特异性的可能位点为两个苯丙氨酸残基。
在本研究中涉及两个高度保守的苯丙氨酸残基
F236和 F286。其中, 苯丙氨酸 ( F236)在苔藓类植
物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物
中是高度保守的,表明了不同植物 PKSIII底物具有
一定的相似性,都利用丙二酰 CoA作为起始单位。
而 F286(苯丙氨酸 )在苔藓类植物、蕨类植物、裸子
植物和单子叶植物是高度保守的; 仅在 Polygonum
cusp idatum PKS2中发生 F /C(半胱氨酸 )替换,H ype-
ricum perforatum, Hypericum androsaemum, Sorbus au-
cuparia, Sorbus aucuparia发生了 F /Y (酪氨酸 )替换;
表明了不同植物物种 PKSIII底物又具有一定的差异
性,其利用不同的酰基 CoA作为起始底物,从而导致
不同结构,功能各异的聚酮化合物的生物合成。例
如,芦荟酮合酶 (ALS)能够以乙酰 CoA为起始底物,
合成芦荟酮和具有 7个苯环的聚酮化合物 [ 13] ; Penta-
ketide chromone synthase ( PCS) ,以丙二酰 CoA为起
始底物,催化合成具有 5个苯环的聚酮化合物 [ 14 ]。
通过对 PKSIII的同源比对发现,在 PKSIII序列
中大多数的半胱氨酸残基位置均有较好的保守性。
苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双
子叶植物的 PKSIII中有 1个特异的保守 Cys184位
点,表明这些物种之间存在较近的亲缘关系。另外,
除了 Fagopyrum tataricum 和 A rabidop sis thaliana的
两个 PKS III外, Cys78在苔藓类植物、蕨类植物、裸
子植物、单子叶植物和双子叶植物 PKSIII中均保
守。同时, Cys47、Cys102、Cys149、Cys184、Cys210和
Cys374也有较好的保守性。半胱氨酸残基能够参
与形成分子间二硫键,可能在维持蛋白三维结构中
发挥着重要作用。苔藓类植物、蕨类植物、裸子植
物、单子叶植物和双子叶植物的 PKS III在三级结构
上可能存在一定的相似性。相对来说, 蕨类植物
PKS III和单子叶植物 PKS III在 Cys保守位点有很好
的相似性,因此蕨类植物 PKSIII和单子叶植物 PK-
SIII的三维结构更为相似。
3. 2 PKS III的系统发育分析
首先, 系统进化树在总体上根据功能的不同而
聚类,明显地划分为 CHSs和 non-CH Ss两大类群,
CHSs位于树的基部, 说明其在进化地位上是最原始
的类型。 STS序列在分子进化树上不形成一个独立
的分支,而与 CHS基因聚在一起, 因此认为, STS可
能是由 CHS直接进化而来, 并且这种进化关系在不
同物种中独立出现多次。
另外,在各类群中, PKSIII基本上按照物种而聚
类, 又划分成苔藓类植物 PKSIII、蕨类植物 PKSIII、
裸子植物 PKSIII、单子叶植物 PKSIII和双子叶植物
PKS III不等的分支,表明 PKSIII序列随着功能的分
类, 植物物种上表现为趋异进化, 功能上的进化可能
早于物种的分化。
参 考 文 献
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