全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第5期，2005年10月684
植物中的异戊烯基转移酶
王惠1 赵德刚2 韩玉珍1,*
1 中国农业大学生物学院，植物生理学与生物化学国家重点实验室，北京 100094；2 贵州大学生命科学学院，贵州省
农业生物工程重点实验室，贵阳550025
Prenyltransferase in Plants
WANG Hui1, ZHAO De-Gang2, HAN Yu-Zhen1,*
1State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry, College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing
100094, China; 2Guizhou Key Laboratory of Agricultural Bioengineering, College of Life Science, Guizhou University, Guiyang
550025, China
提要 介绍了近年来植物中异戊烯基转移酶(又称异戊烯基二磷酸合酶, IPPS)的研究进展，着重讨论 IPPS 的链长决定机
制，同时分析了有待解决的问题。
关键词 异戊烯类化合物；异戊烯基转移酶；类异戊烯基二磷酸合酶；橡胶转移酶；杜仲胶
收稿 2004-12-13 修定 　 2005-07-08
资助　 科技部重大基础研究前期研究专项(2003CCA02600)。
*通讯作者(E-mail: hanyuzhen@cau.edu.cn, Tel: 010-
62733807)。
异戊烯类化合物(isoprenoid)是植物代谢过程
中重要的次生产物，它们在生物体内发挥广泛而
不可缺少的功能，例如，介导氧化还原反应，作
为膜的结构组成部分，在信号转导中传递转化信
号，抵御捕食者，吸引配偶，调节繁殖周期等[1]。
异戊烯类化合物的生物合成是从异戊烯基二磷酸
(isoprenyl diphosphate, IPP)与其异构体二甲基烯丙
基二磷酸(dimethylallyl diphosphate, DMAPP)通过缩
合反应得到牻牛儿基二磷酸(geranyl diphosphate，
GPP)开始的，并在此基础上陆续加入 IPP 单位而
得到其它异戊烯类化合物。这种链伸长反应是由
一类异戊烯基二磷酸合酶(isoprenyl diphosphate
synthase, IPPS)催化的，这类酶的通俗名称为异戊
烯基转移酶(prenyltransferase)[1]。从更广义的概念
而言，异戊烯基转移酶还包括蛋白异戊烯基转移
酶(protein prenyltransferase)[2]。这类酶催化一种膜
蛋白羧基端CAAX结构元(motif)中半胱氨酸残基上
的巯基与法呢基二磷酸(farnesyl diphosphate, FPP)
或牻牛儿基牻牛儿基二磷酸(geranylgeranyl
diphosphate, GGPP)的加成反应，从而使蛋白异戊
烯基化。
IPPS 还可以进一步分类，从催化位置而言，
有1,4位的缩合酶(称头尾缩合酶)和1,1位的缩合酶
(称头头缩合酶)。这两类酶有不同的催化机制，
序列保守区也不一样，空间结构更是有所区别。
目前的研究绝大多数集中在头尾缩合酶。自然界
的许多产物，其实大都是头尾缩合酶和头头缩合
酶两类酶联合作用产生的，头尾缩合酶的产物往
往又成为头头缩合酶的底物。再从头尾缩合酶的
产物双键构型来看，IPPS又可分为催化合成反式
双键的E-IPPS 和催化合成顺式双键的Z-IPPS[1]。
E-IPPS和Z-IPPS又分别包含有多种合成不同链长
终产物的酶(图 1)，其中研究较深入的E-IPPS 还
可以根据酶的三维立体结构和产物链长再细分为不
同的种类[3]。本文主要介绍目前国际上合成短中
链产物的IPPS 研究成果，讨论合成超长链产物的
IPPS 研究现状，并分析有待进一步探索的问题。
1 E-IPPS
自Lynen等[4]分离到法呢基二磷酸合酶(FPPS)
后，至今已有数十种来源不同的E-IPPS得到分离
纯化，结果显示，E-IPPS 广泛存在于植物、动
物以及细菌中。在哺乳动物中发现有多种 E -
IPPS，分别是 FPPS、牻牛儿基牻牛儿基二磷酸
合酶(GGPPS)和长链反式异戊烯基转移酶(长链 E-
IPPS)。植物也有数种不同的 E-IPPS，包括牻牛
儿基二磷酸合酶(GPPS)、FPPS、GGPPS、长链
E-IPPS，此外，某些植物还有超长链 E-IPPS，
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如我国特有树种杜仲[5]，能合成天然反式橡胶。
许多细菌有 FPPS、GGPPS 以及长链 E-IPPS 和长
链 Z-IPPS。E-IPPS的广泛分布与其在生物体内具
有多种功能相吻合。Ogura 等[6]曾根据 IPPS 的四
级结构和立体化学性质及产物链长，将IPPS分成
4个亚类，其中E-IPPS 因为研究较深入，被分为
3个亚类，而Z-IPPS则只有 1个亚类。E-IPPS的
3个亚类分别是短链E-IPPS、中链E-IPPS和长链
E-IPPS。后来，由于GPPS 三维结构的确定(与其
它合成短链产物的 E-IPPS 有所区别)，以及合成
超长链E-IPPS的存在，这样的划分已显得不够完
整[7]。短链 E-IPPS 包括 FPPS 和 GGPPS。这些酶
需要有二价阳离子参与，并且以同型二聚体的自
然状态执行催化活性。中链E-IPPS包括细菌所具
有的六异戊烯基二磷酸合酶(HexPPS)、七异戊烯
基二磷酸合酶(HepPPS)等。这些酶的四级结构和
短链反式酶不同，它是异型二聚体，其中一个亚
基具有在所有反式酶上都保守的区域，为酶的活
性中心。两亚基组成的复合形态(cosubnuit)对于
将疏水产物从活性位点转移到亲水环境来说十分重
要。这些亚基的基因已经克隆，它们编码于一个
操纵子中。长链 E-IPPS 催化合成长度超过 40 个
C的反式化合物。这类酶不像中链E-IPPS 那样需
要第 2 个亚基，但是这类酶需要异戊烯载体蛋白
(prenyl carrier protein)来将疏水反应产物转移出反
应位点。而对超长链 E-IPPS，还知之甚少(下文
将进一步讨论)。以上所有这些酶中，FPPS 是分
离最早，也是了解最透彻的一个 IPPS，下面将
以FPPS为例说明E-IPPS的催化和链长决定机制。
20 世纪七八十年代，以 Utah 州州立大学的
Laskovics 和Poulter[8]为主的许多研究者，用多种
传统的生化方法分析了FPPS的基本催化机制，解
决了一些 FP P S 的反应动力学问题。他们发现，
FPPS 结合 IPP 和烯丙基底物后，烯丙基底物第 1
图1 目前已知的E-IPPS和Z-IPPS种类及其合成产物链长(参考文献3并作修改)
　　GPPS: geranyl diphosphate synthase; FPPS: farnesyl diphosphate synthase; GGPPS: geranylgeranyl diphosphate synthase; GFPPS:
geranylfarnesyl diphosphate synthase; HexPPS: hexaprenyl diphosphate synthase; HepPPS: heptaprenyl diphosphate synthase; OPPS:
octaprenyl diphosphate synthase; SPPS: solanesyl diphosphate synthase; DPPS: decaprenyl diphosphate synthase; NPPS: nonaprenyl
diphosphate synthase; UPPS: undecaprenyl diphosphate synthase; DDPPS: dehydrodolichyl diphosphate synthase.
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位 C 原子失去 1 个电子，形成烯丙基阳离子。这
个过程受二价阳离子(如 Mg2+)触发，然后碳正离
子亲电攻击IPP的第4位碳原子，结果形成IPP和
烯丙基底物间的1,4碳键。产物-酶复合体Kcat值
下降以及碳正离子产生速率的限制则导致了产物的
释放。他们由此推断，其他的 E-IPPS 也可能是
通过同样的反应机制，经过反复的缩合反应来完
成催化的。此后，由于 Cornforth 小组[9,10]的工
作，人们对 FPPS 催化 C — C 键形成的立体化学
特性有了进一步了解。C正离子从si-face攻击IPP
上的双键，IPP第 2位 C原子上的一个H原子被移
走，在 2,3 位碳原子间形成新的 E- 双键。后来，
Ito等[11]证明来源于枯草杆菌(Bacillus subtilis)的
HepPPS 活性位点具有与 FPPS 一样的立体化学特
性，这暗示可能所有的E-IPPS都具有保守的活性
位点立体结构。1994 年，Chen 等[12]分析了当时
所得到的不同物种的 13 个 E-IPPS(包括 FPPS、
GGPPS、HexPPS 等)序列后，发现了几处保守区
域(图2)，其中包括2个富含天冬氨酸结构元(Asp-
r i c h m o t i f , A R M )，其序列为 DDX X D (或
DD X X X X D , D 为天冬氨酸，X 为任意其他氨基
酸)。后来，人们又发现许多以烯丙基为底物的
酶，如蛋白异戊烯基转移酶、单萜环化酶、倍
半萜环化酶等也具有 ARM 序列特征。现有资料证
实，烯丙基底物通过一个 Mg2+，与第 1 个富含天
冬氨酸结构元 (FARM)的 Asp 结合[13]。同年，
Tarshis等[14]发表了鸟类FPPS结晶的X射线衍射研
究结果，最终有效确立了 FPPS 的三维立体结构。
之后，其他一些种类E-IPPS的立体结构也先后确
定，结果表明它们确实具有保守的活性位点立体
结构。Tarshis等[14]的工作还发现，FPPS在体内
以同型二聚体存在，单个亚基分子量为 3 2 ~ 4 4
kD，完全由 a- 螺旋二级结构构成，中心部位 10
个a-螺旋形成一个大的中间空洞，其壁上几乎包
含所有的保守氨基酸。值得注意的是，最近研究
其它以烯丙基化合物为底物的酶(如鲨烯环化酶、
蛋白法呢基转移酶等)的结果表明，它们都具有与
FPPS 相类似的由 a- 螺旋组成的中心结构。据此
推断，这种a-螺旋形成的空间形状可能正是所有
结合烯丙基底物的酶所共有和必需的，人们将这
样的结构命名为萜合酶折叠(terpenoid synthase-
fold)[3]。
以FPPS保守区域为对象的研究工作揭示了保
守片段的功能。已有多个实验室分别独立构建了
许多 FPPS 上位于 DDXXD 处的突变体，这些研究
显示，FARM 上所有的Asp 和第 2个 ARM 区(SARM)
上第1和第2个Asp对于酶的催化效率来说十分关
键，其影响超过对底物的结合亲和力。与此同
图2 E-IPPS保守区分布及链长决定区的位置[13]
F A R M 位于 C L D R 内，有控制产物链长的功能；S A R M 含有活性中心，对于酶的催化活性有至关重要的影响。
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时，SARM 上最后一个 Asp 对于酶发挥催化活性
不是必需的。之后，对 GGPP S 的相关研究支持
了FPPS 的分析结果。Koyama 等[15]用嗜热脂肪芽
孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)的FPPS为模
式，分析了两个 A R M 之外其它保守氨基酸的功
能。他们发现，用脂肪族氨基酸取代位于 I 和 V
保守区域上的赖氨酸会引起酶与IPP底物的结合能
力下降，据此推测，酶与 IPP 底物的结合位点位
于I 和 V保守区域上。此外，他们还发现位于 IV
保守区域上的FQ两个连续氨基酸与两个底物的结
合和基本催化活性都有关，可见，保守区域可能
是活性中心最关键的部分，也许就是执行催化功
能的区域。他们没有找到位于 C 端的 VII 保守区
域上的保守氨基酸与底物结合或是催化活性之间有
关系，这些保守氨基酸的功能还有待确定。
F P P S 催化产物的链长是如何决定的呢？
Tarshis等[14]在分析鸟类FPPS及其突变体的X射线
晶体衍射图的基础上，最早提出产物链长最终是
由酶内部的产物的疏水口袋大小决定的假设。
Tarshis等[16]首先发现N端的FARM附近的Phe112
和 Phe113是形成疏水口袋底部的关键氨基酸，它
们被具有较小氨基酸侧链的脂肪族氨基酸取代后导
致产物变长，这个现象促使人们开始寻找E-IPPS
上决定产物链长的关键氨基酸。Ohnuma 等[17]通
过大量的随机突变体实验分析了酵母IPPS的产物
链长决定机制，发现位于 FARM 之前第 5 个氨基
酸十分关键，这个位置相当于鸟类 F P P S 上的
Phe112，它被较小侧链脂肪族氨基酸取代后导致
原先的 FPPS 具有 GGPP S 活性，原先的 GGPP S
具有 HepPPS 活性，也就是说，酶的产物链长变
长了。经过几年的探索，目前人们已经基本确定
了与短链及中长链E-IPPS产物链长决定有关的关
键氨基酸。现有资料表明，FARM 及其上游区域
是所有 E-IPPS 的产物链长决定因素中最关键的，
这个区域被命名为链长决定区(chain length deter-
mination region, CLDR)(图2)。
综上所述，合成短链产物E-IPPS 的 CLDR 具
有的一般特征是：在真核细胞中，位于 FARM 上
游第5和第4个氨基酸为含有大侧链的氨基酸；在
原核细胞中，FARM 内部则有插入片段。Narita
等[18]根据已有的信息，构建了同时具有两种导致
短链产物结构特征的重组突变体，结果，原始的
FPPS 转变成具有与 GPPS 相似活性的酶，这暗示
两套影响链长的因素有叠加效应，也暗示自然界
中的 GPPS 可能就具有这样的结构。而事实上也
的确如此，薄荷(Mentha piperita)中的GPPS是近
年来分子克隆成功的合成链长最短的 E-IPPS[7]，
这个酶有 2 个亚基，大亚基可以结合底物，在其
F A R M 周围有特殊结构：M S L M H D D L P C M，在
F A R M 前第 5 个位置有一个有大侧链的 M ，在
FARM 内部有 PC 两个氨基酸的插入片段。这样，
短链和中长链E-IPPS的链长决定机制已基本得到
阐明，可以说，FARM 周围部分关键位置的氨基
酸，由其侧链大小决定的空间结构上的特性，决
定了疏水口袋的深度，从而控制了产物链长。人
们对这个发生在短链和中长链E-IPPS上的过程可
以理解，却不能设想这样的过程如何在超长链E-
IPPS 上进行。由于产物太大、太长，无法想象
一个装得下如此巨大产物的疏水口袋，所以必需
有一个不同的链长控制机制，但人们对合成超长
链产物的E-IPPS的了解还太少，至今尚未分离出
一个确定的具有执行胶合成功能的蛋白。我们实
验室正进行从杜仲(Eucommia ulmoides)中分离与合
成杜仲胶(一种天然的反式聚异戊二烯化合物)直接
相关的蛋白的研究[19,20]，期望能进一步了解一些
超长链 E-IPPS 的生理活性和结构特性。
2 Z-IPPS
1998年，Shimizu等[21]克隆到细菌中十一异
戊烯基二磷酸合酶(UPPS)，之后，人们又克隆到
酵母中合成50~200个 C链长的 Z-IPPS(dehydro-
dolichyl diphosphate synthase, DDPPS)。两者的比
较显示它们具有相近的分子量(约30 kD)，并有高
度的序列相似性。短短几年间，有关 UPPS 的文
献大量涌现[22]，迄今为止，从 NCBI 网站已可以
查找到数百种UPPS，占已知Z-IPPS 的绝大部分。
Baba等[23]在上个世纪80年代就认为细菌UPPS是
以同型二聚体的结构形式存在。1 9 9 9 年，
Fujihashi等[24,25]成功得到细菌UPPS的X射线衍射
图，分析该酶的三维结构后，发现 Z-IPPS 的确
是以同型二聚体的形式存在，每个亚基并不单纯
的由a-螺旋构成，其二聚体内部中心部位有10个
b-折叠。他们还初步鉴定出Z-IPPS与底物结合区
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域、执行催化作用的关键氨基酸以及同型二聚体
之间相互作用的片段。比较Z-IPPS 与 E-IPPS 的
序列揭示，两者虽然同样是转移异戊烯基的酶，
却没有任何序列相似性，在Z-IPPS中没有找到保
守的ARM。但所有的Z-IPPS 都具有 5个高度保守
的区域(图3)。两类酶的一级结构差异反映出它们
空间结构的不同，体现了催化不同空间构型的顺
式和反式双键的需要。
迄今为止，人们对Z-IPPS的链长决定机制还
不十分清楚，以前有一些报道说自然状态下IPPS
产物链长特异性受环境因素的影响。Yamada等[26,27]
认为不同组织中多萜醇(dolichol)长度有所不同，
肝中的C链长度为90和 95个，睾丸中为85和 90
个。人类肝癌细胞产生的长醇化合物普遍比正常
肝细胞的短 1 个异戊烯基单位。此外，某些植物
中IPPS催化产生的产物链长与植株生理年龄有关
系。例如，银杏树的幼年叶片往往产生 C 链长度
为 70~90 的产物，而老叶则产生 80~95 的产物。
后来人们发现，这些相关酶类都属于 Z-IPPS 类
型，表明 Z-IPPS 产物的链长决定并不十分精确。
目前，所有已知的Z-IPPS的主要产物基本上都是
比它产生的最长产物短一两个单位[3]。这种不很
精确的链长决定现象的原理是什么？是环境影响？
那么，这种环境影响又是如何作用的呢？为什么
E-IPPS 就不那么受环境干预呢？根据现有资料，
可以得出一个比较笼统的解释：根据已知的IPPS
三维结构，E-IPPS 和 Z-IPPS 基本都呈球形，E-
IPPS发挥催化功能时，产物埋入酶的内部疏水口
袋中，存在于一个相对稳定的封闭环境中，底物
浓度过高或过低并不影响它与酶的结合，所以，
产物长度主要决定于酶本身的空间特性；Z-IPPS
酶的直径小于它们催化得到的产物，产物并不埋
藏在酶内部，Z-IPPS的催化过程很可能是和核酸
复制和 mRNA 翻译相类似的过程，底物或产物是
穿越酶体的，因而产物暴露在周围环境中，容易
受到更多的环境因素影响。上面提到的合成超长
链E-IPPS的链长决定也有这样的问题，从Z-IPPS
的链长决定研究结果来看，杜仲胶转移酶很可能
也是受环境因子调控的酶，其结构特征可能与天
然橡胶转移酶有某些共性。
3 超长链异戊烯基转移酶——橡胶转移酶
橡胶是一类高分子的异戊烯类化合物，在现
代生活中，它已经成为一种不可缺少的基本资
源。我国又是一个天然橡胶资源短缺的国家，这
对我国而言，既是个经济负担，也是战略安全性
隐患。世界上已知的产胶植物共计2 000多种，其
中绝大部分产生顺式天然橡胶，目前生产上最主
要的产胶植物三叶橡胶(Hevea brasiliensis)所产的
天然橡胶就是顺式结构的，而在我国分布广泛、
生命力极强的产胶植物杜仲所产的天然胶则是反式
结构的。研究合成这些顺式和反式结构的橡胶的
生物合成机制，既是 IPPS 基础研究的深入，同
时在生产中也有积极意义。从我国国情出发，开
发杜仲胶资源可能更为有利，特别是在20世纪80
年代，严瑞芳[5]完善了杜仲胶的硫化工艺后，其
应用领域大大扩展，使得杜仲胶可以在众多领域
中代替传统的天然橡胶。
目前，超长链 E-IPPS 研究还刚刚起步，有
关的酶也正在分离鉴定中，相比之下，顺式结构
天然橡胶合成相关酶已经积累了较多资料[2 8 ]。
1989年，Dennis等[29~31]分离到一种巴西橡胶树胶
粒丰富蛋白，其分子量为14 kD。随后，Attany-
aka等[32]得到了编码该蛋白的cDNA序列，他们将
其命名为橡胶延长因子(rubber elongation factor
protein, REF)。Oh等[33]在1999年采用凝胶层析技
术发现巴西橡胶树还含有一种直径较小的橡胶颗
粒，在其上分离到的一种分子量为 23 kD 的蛋白
也具有促进橡胶合成的作用，为了与之前发现的
R E F 相区别，他们将其命名为小胶粒结合蛋白
(small rubber particle protein, SRPP)。比较两者
cDNA 序列发现，REF 和 SRPP 有较高的同源性，
较短的 REF 基因似乎从属于 SRPP 中的一段。虽
然人们已知道REF和 SRPP在橡胶合成中起一定的
作用，但它们究竟是执行催化功能的酶，还是仅
仅帮助转移产物的辅助因子，目前还不确定。目
图3 Z-IPPS的5个保守区域
　　I区是推测的 FPP 底物结合位点，V区是推测的 IPP 结合位
点，并与亚基相互作用有关，其他保守片段的功能还未确定。
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前人们多数倾向于认为催化橡胶合成的酶是由几种
蛋白形成的复合体，由于自然界不同物种中橡胶
的链长不一，人们又推测复合体中某些因子的差
异导致了链长的不同。有资料表明，巴西橡胶树
所含大小胶粒中橡胶分子大小不同，其不同是否
是因为两种胶粒中促进橡胶合成的成分的不同引起
的，目前还不能确定。2004 年，Kim 等[34]从银
胶菊(Parthenium argentatum Gray)中克隆到SRPP
的同源基因，将其命名为 S R P P 银胶菊同源物
(GHS)。原核表达得到该蛋白的重组蛋白与底物
和漂洗过的胶粒一起温育后，与未加该重组蛋白
的对照相比，发现橡胶含量有更大的增长，这进
一步确认了 SRPP 在橡胶合成中的地位，但由于
实验中没有排除胶粒上其他蛋白的影响，因此还
不能断定 SRPP 是橡胶转移酶的主体。此外，比
较大量的序列信息后发现，REF 和 SRPP 共有的
保守域也存在于部分与逆境相关的蛋白(stress-re-
lated protein, SRP)[35,36] 中。后者分布广泛，不一
定跟橡胶合成有什么关系，但从名字上可以看
出，这类蛋白与植物抗逆境的反应有关。
自然界中已知的产生反式橡胶的植物本来就
不多，而杜仲又是我国特有的物种，因此积累的
资料非常有限。根据短中链IPPS的研究得到的经
验，可以想象顺反两种橡胶转移酶可能没有同源
性，所以，参考 REF、SRPP 等进行杜仲橡胶合
成相关蛋白同源克隆时，可能会得不到预期结
果，研究反式橡胶合成相关酶时可能只有从分离
杜仲胶所含蛋白入手才更为可行。
4 结束语
异戊烯类化合物功能复杂，其衍生物萜类物
质，涉及各种动植物的不同特性，在药物开发和
农业生产中有极大的应用价值，深刻了解它们的
合成方式，是推动其应用的理论基础。人们已经
对短中链E-IPPS有了相当程度的了解，但还有许
多问题没有解决。例如，从分子机制来说，酶
如何识别其底物链长？细菌和植物 GGP P S 利用
DMAPP 为起始底物，而哺乳动物却利用 FPP[3]，
这其中识别底物的关键在哪里？还有，对酶的缩
合反应过程中的动力学基础，人们几乎一无所
知。反应过程中的中间产物需在空间上向前移动
方可成为下一步缩合反应的底物，这一过程是如
何发生的？其中酶-底物复合体结构又如何发生相
应的变化？这些都是十分令人感兴趣而又十分复杂
的问题。还有很重要的一点是，从分子水平来
说，IPPS的活性是如何调控的？是转录水平，还
是翻译水平抑或是翻译后水平？20世纪90年代中
后期兴起的FPPS启动子研究[37,38]显示了IPPS存在
转录调控，但至今这方面信息还很少，其它异戊
烯基转移酶的相关调控信息更少。此外，上文所
谈到的超长链 IPPS 的相关性质，也是未知领域。
以上这些问题，都有待进一步的研究。
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