颠覆认知！拟南芥类胡萝卜素合成关键酶 PSY 的计算预测假象实验验证

为探究拟南芥（Arabidopsis thaliana）中 PSY 基因编码的两种蛋白质是否为真正的 PSY 酶，研究人员开展了相关研究。结果发现 AtPSYextra缺乏 PSY 活性，可能是计算预测假象。这一研究强调了实验验证在确定基因预测生物学相关性中的重要性。

　　在植物的生命活动中，类胡萝卜素扮演着极为重要的角色。它不仅参与绿色组织的光合作用和光保护，还在非光合组织如花瓣和成熟果实中作为色素发挥作用，其氧化裂解产物还能生成脱落酸（abscisic acid ）和独脚金内酯（strigolactones）等生物活性分子。而八氢番茄红素合酶（phytoene synthase，PSY）作为类胡萝卜素合成途径的首个关键限速酶，催化两分子香叶基香叶基二磷酸（geranylgeranyl diphosphate，GGPP）缩合形成八氢番茄红素（phytoene） 。

在拟南芥中，PSY 由单一基因 At5g17230 编码。然而，TAIR 数据库显示该基因可能产生四种不同转录本和两种不同蛋白质。但一直以来，这两种潜在蛋白质是否真的是 PSY 酶，尚未得到确切证实。为了解开这个谜团，来自西班牙植物分子与细胞生物学研究所（Institute for Plant Molecular and Cell Biology，IBMCP）的研究人员 Juan Navarro-Carcelen 和 Manuel Rodriguez-Concepcion 展开了深入研究。

研究人员运用了多种关键技术方法。在植物系统中，通过农杆菌介导转化法，将构建好的表达天然 AtPSY 和合成 AtPSY^extra的载体分别导入本氏烟草（Nicotiana benthamiana）叶片，并使用去甲二氢愈创木酸（norflurazon，NFZ）抑制内源性类胡萝卜素途径中八氢番茄红素的去饱和过程，以此来定量分析八氢番茄红素的含量。在细菌系统中，利用大肠杆菌（Escherichia coli）表达系统，将去除预测的 N 端质体靶向肽的 AtPSY 和 AtPSY^extra克隆到 pET32 载体中进行表达，通过观察菌落颜色和测定 β - 胡萝卜素含量来评估酶活性。

研究结果如下：

1. 转录本与蛋白质差异：拟南芥 PSY 基因的四种转录本中，只有 At5g17230.3 在蛋白质编码区不同，其编码的 AtPSY^extra含有一段额外的 15 个氨基酸序列，且这段序列仅在少数表达序列标签（ESTs）和肽段中被检测到，缺乏确凿的实验证据支持 AtPSY^extra的天然存在或活性。
2. 植物系统实验：对本氏烟草叶片进行农杆菌浸润实验，结果显示，表达 AtPSY 的叶片积累的八氢番茄红素显著高于 AtPSY^extra和对照 PRK 处理的叶片，且蛋白质免疫印迹分析表明，AtPSY 样品中八氢番茄红素含量高并非是由于蛋白质积累增加所致，说明 AtPSY^extra缺乏 PSY 活性。
3. 细菌系统实验：在大肠杆菌系统中，携带 pAC-85b 和 pET32-AtPSY 的培养物呈现橙色，能够产生 β - 胡萝卜素；而携带 pAC-85b 和 pET32-AtPSY^extra的培养物与仅携带 pAC-85b 的对照无明显差异，未检测到 β - 胡萝卜素，进一步证实 AtPSY^extra缺乏可检测的酶活性。

综合上述研究，研究人员得出结论：AtPSY^extra缺乏可检测的酶活性，它很可能是生物信息学计算预测产生的假象。这一研究成果意义重大，它揭示了即使在高通量测序、蛋白质组学和生物信息学算法不断发展的今天，实验验证对于确定基因预测的生物学相关性仍是不可或缺的。实验数据能够为改进计算模型提供依据，从而增强对基因亚型多样性的准确预测能力，这对于理解不同生物学背景下的基因功能和调控机制具有重要意义。该研究成果发表在《Plant Cell Reports》上，为植物类胡萝卜素合成途径相关研究提供了关键参考，也提醒科研人员在面对基因预测结果时，需保持严谨态度，通过实验进行验证，避免因计算预测假象而得出错误结论。