植物界的煉金術：普通酵素如何黑化成毒素製造機

類固醇糖苷生物鹼（SGA，Steroidal glycoalkaloids）是茄科植物特產，能夠抑制乙醯膽鹼脂酶，干擾神經傳遞。另外，它們還能破壞細胞膜。大名鼎鼎的龍葵鹼（茄鹼，solanine）、番茄鹼都是這個家族的成員。

安地斯黑馬鈴薯。圖片：維基百科

野生的馬鈴薯及發芽的栽培品系馬鈴薯中，都含有大量的龍葵鹼，食用可導致噁心、嘔吐，嚴重可以致命。許多國家都規定馬鈴薯中SGA含量不得超過200 mg/kg，而對一個60公斤的成人來說，只要攝入超過60 mg的龍葵鹼就會引發中毒（1-2 mg/kg）。

植物為什麼要合成龍葵鹼呢？對植物來說，被吃掉並不是什麼happy ending，所以它們合成龍葵鹼是為了預防被吃。但是，對我們來說，我們當然希望可以放心大吃馬鈴薯而不會中毒，所以科學家們一直在研究SGA的合成機制，希望能夠盡可能地降低茄科植物SGA的含量。

最近的研究發現一個稱為GAME12的酵素，對SGA的合成很重要。GAME12屬於γ-氨基丁酸轉氨酶（GABA-T）家族的一員，能夠催化將氮原子引入固醇骨架的反應。

先前的研究已知GAME12與SGA合成有關。研究團隊搜尋資料庫，在番茄裡又找到了另外三個家族成員。當他們把融合螢光蛋白的GAME12表現在煙草中時，他們發現GAME12主要出現在細胞質中。這與其他家族成員不同，意味著GAME12可能有特殊的功能。

接著他們把GAME12與其他SGA合成基因一起在煙草中表現，結果出現了去氫番茄鹼！這意味著GAME12的確與SGA合成有關。後續的實驗，證實了GAME12的確能將氮原子引入固醇骨架，形成SGA的原料。當他們把GAME12在龍葵（茄科的模式植物）中表現，也產生了SGA，進一步證實了GAME12對SGA的合成很重要。

由於GAME12屬於GABA-T家族，而GABA-T與SGA的合成無關；因此研究團隊感到好奇，到底GAME12是怎麼「黑化」成為毒素製造機呢？

研究團隊比較了番茄（Solanum lycopersicum）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、辣椒（Capsicum annuum，不產生SGA的茄科植物）、燈籠果（Physalis floridana）、煙草（Nicotiana benthamiana）、牽牛花（Ipomoea triloba，旋花科）、碧冬茄（Petunia inflata）、曼陀羅（Atropa belladonna）、龍葵（Solanum nigrum）以及S. dulcamara, S. americanum, S. ptychanthum等植物。他們發現，GABA-T基因在茄科植物的共祖中已經存在。

然後，GABA-T共祖在茄科植物發生第一次全基因組複製時，形成了T1與T3兩個分支。接著，在燈籠果、煙草和茄科共祖中，T3發生局部複製，產生了T2分支，這是GAME12的祖宗。

接著，在茄屬（Solanum）中，T2又發生了複製事件，產生了T4與GAME12兩個亞分支。在整個過程中，GAME12失去了定位到葉綠體或粒線體的定位信號，獲取了合成SGA的能力。

到底從GABA-T到GAME12，需要怎樣的變身呢？研究團隊先進行了演化選擇分析，然後使用GABA-T3做為研究材料。他們將所有在分析中顯示有經歷強烈正向選擇的胺基酸，全部都變成GAME12的胺基酸。結果，這個突變酵素還是不能合成SGA。

到底哪裡出錯了？研究團隊用了AlphaFold來生成GAME12與GABA-T3的蛋白模型，比較它們的結構差異，挑出可能的「重點」。

然後，他們把所有的重點（27個！）都在GABA-T3上變成GAME12，結果這個新基因取得了一點點合成SGA的能力。

研究團隊再接再勵，引入更多的突變（77個！！！），這次終於產生了比得上GAME12的酵素活性了。

從他們的分析與研究，他們發現最重要的是E363，K367與M370。這三個胺基酸位於活化位址附近，對GAME12的活性非常重要。

所以，透過研究GAME12的演化之路，我們了解到一個酵素的演化其實相當複雜。不只是活化位址的胺基酸要對，整體的環境也要對。了解了茄科植物如何合成SGA，將來我們可以透過找尋不表現GAME12的栽培種（不論是天然的或基改的），讓我們在吃馬鈴薯時更不用擔驚受怕。

參考文獻：

Grzech, D., Smit, S.J., Alam, R.M. et al. Incorporation of nitrogen in antinutritional Solanum alkaloid biosynthesis. Nat Chem Biol (2024). https://doi.org/10.1038/s41589-024-01735-w