朱平研究组与合作者揭示FBN5调控茄尼基焦磷酸合酶SPS催化活性的分子机制

　　茄尼基焦磷酸合酶（Solanesyl diphosphate synthase，SPS）是光合作用电子载体质体醌生物合成途径中的关键酶，也是近年来新发现的一种除草剂作用靶标。有研究表明，原纤维蛋白-5（Fibrillin 5，FBN5）可能通过调控SPS的酶催化活性参与质体醌的生物合成。然而，FBN5与SPS的相互作用及其调控SPS催化活性的分子机制尚不清楚。

　　2026年1月5日，中国科学院生物物理研究所朱平研究员团队与华中师范大学绿色农药全国重点实验室杨光富教授团队合作在《Nature Plants》杂志发表题为"Structural Insights into the Molecular Mechanisms of OsFBN5-Induced OsSPS3 Catalysis"的研究论文。该研究利用生物化学、结构生物学以及计算模拟等多种手段，系统阐明了水稻（Oryza sativa）中OsSPS3的催化机制及其与OsFBN5相互作用的分子机制，为理解质体醌生物合成的调控机制提供了科学依据。

　　研究团队首先解析了OsSPS3蛋白与多种不同配体结合的高分辨率晶体结构，其非对称的二聚体结构表明，OsSPS3有可能通过两个单体之间的构象转换来交替实现其催化功能。随后研究团队综合运用多种实验手段，证实了OsFBN5与叶绿体定位的OsSPS3之间存在很强的特异性直接相互作用，并通过冷冻电镜技术，解析了apo状态及与底物类似物GGSPP结合的OsSPS3-FBN5复合体高分辨率结构。复合体状态下，OsFBN5的结合诱导OsSPS3单体中关键loop区域发生由开放到闭合的构象转变。这一构象变化促使两个OsSPS3单体均形成了完整且对称的底物结合口袋，从而使两个催化中心能够实现同步的酶促反应。基于上述结构发现，研究团队提出了OsFBN5诱导OsSPS3从交替催化转变为同步催化的分子模型，并通过设计OsSPS3异源二聚体（OsSPS3^WT/AA），验证了OsFBN5能够通过结合作用，诱导原本非活性的亚基构象发生转变，使其转化为活性状态，从而实现二聚体中两个催化中心的同步催化（图1）。这一机制不仅解释了OsFBN5对OsSPS3功能的调控方式，也为OsFBN5能显著提升整体催化效率提供了直接的实验证据，为深入理解光合作用相关酶的催化机制及其相关的分子育种提供了重要的科学依据。

　　基于解析的高分辨率结构，研究团队通过虚拟筛选发现临床用于治疗骨质疏松的药物唑来膦酸（Zoledronate，ZOL）可以有效结合在SPS催化反应中心口袋，并通过体外酶活实验、晶体结构解析等揭示了ZOL作为竞争型抑制剂的结合模式。温室除草活性筛选表明，ZOL表现出广谱高效除草活性，可作为除草剂先导化合物供进一步研究。该工作为创制新型SPS除草剂奠定了坚实基础。

图：FBN5诱导SPS3从交替催化转变为同步催化的分子模型

　　华中师范大学绿色农药全国重点实验室博士后肖寒、石星星，博士生李敏和中国科学院生物物理研究所博士后王有望为论文的共同第一作者。中国科学院生物物理研究所朱平研究员和华中师范大学杨光富教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、博士后创新人才支持计划项目的支持。

　　文章链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41477-025-02184-6

（供稿：朱平研究组）