沒有人指揮的樂團：茄科生物鹼合成大揭密

茄科（Solanaceae）植物包括了鼎鼎大名的馬鈴薯、番茄、辣椒、顛茄，以及小朋友最喜歡採來當零嘴的龍葵（Solanum nigrum）。這些植物都會產生所謂的糖化生物鹼（glycoalkaoids），有些（如馬鈴薯的龍葵鹼solanine）的毒性可以致命！幸好栽培品系的馬鈴薯只有發芽的時候龍葵鹼的含量比較高，所以只要小心別吃發芽的馬鈴薯就好。

龍葵的花。圖片取自維基百科

除了糖化生物鹼，這些茄科的植物還會合成皂素（saponin），但是皂素在這些植物體內的功能未知。過去的研究已經將合成糖化生物鹼的酵素都一一找到，但負責合成皂素的酵素還沒有發現。

另外，更讓科學家迷惑的事情是，在研究植物的基因的功能時，科學家們經常會讓基因在模式植物（如阿拉伯芥）裡面表現。會這樣做的原因通常是因為模式植物的資訊比較多，所以在模式植物中表現其他植物的未知基因可以幫助科學家們了解這個基因的功能以及任何潛在的活性。但是，當科學家們嘗試著把這些合成糖化生物鹼的茄科基因在其他植物中表現時，卻無法讓這些植物合成糖化生物鹼。

這意味著，在茄科的糖化生物鹼的合成拼圖上，可能還少了很重要的一塊。可是所有的酵素都到齊了啊？科學家們想，一定還需要一個具有什麼未知功能的成員！

如果在過去，可能就得想辦法來製造一些突變株，從中篩選無法合成糖化生物鹼的植物。但是隨著技術的進步，如此大費周章已經不是必要步驟了！研究團隊決定利用所謂的「轉錄體」（transcriptome，就是生物所有的信息RNA的總稱）分析，來找找看到底漏掉了誰。

轉錄體分析發現，總共有363個基因與糖化生物鹼合成酵素GAME6、GAME8 與 GAME11一起表現。其中有一個基因長得有些像G家族的類纖維素合成酶，引起了研究團隊的關注，因為過去曾有研究發現，這個家族的酵素可以做為非典型的糖轉移酶。

因為不清楚到底這個蛋白質有什麼功能，研究團隊決定先看看它出現在細胞的什麼位置。結果這個蛋白位於內質網的膜上。

接著，研究團隊用基因編輯把這個基因給砍掉，結果發現突變株體內發生膽固醇堆積的情形。這意味著這個基因與糖化生物鹼合成的早期步驟有關，因為茄科植物就是使用膽固醇做為原料來合成糖化生物鹼的。

那麼，是否其他合成糖化生物鹼的酵素也位於內質網上呢？進一步的觀察發現，GAME6與GAME8和這個蛋白同時定位在內質網膜上，而GAME11除了出現在內質網膜上，還出現在細胞質中。

這時候，研究團隊假設這個蛋白質（現在它叫做GAME15）雖然並沒有酵素活性，但是透過與其他酵素的互動，它可以讓其他酵素合成糖化生物鹼。

為了確定GAME15的確有跟其他蛋白質互動，研究團隊使用了螢火蟲的冷光素基因來測試。結果發現，GAME15與糖化生物鹼合成途徑上游的酵素GAME6、GAME8以及GAME11都有互動，但是與糖化生物鹼合成途徑下游的酵素（如GAME4與GAME12）就沒有互動了。另外，當GAME15的前面接著冷光素的時候，就沒有辦法與那三個酵素進行互動！這表示GAME15應該是用自己的N端（頭）與其他蛋白質互動的。

再者，他們還發現GAME15與阿拉伯芥跟長春花的相關酵素都無法互動，顯示GAME15的專一性很高（GAME15：我才不會愛別人呢）。

所以，如果把GAME15跟GAME6、GAME8以及GAME11一起在其他的植物裡面表現，能不能在其他的植物裡面合成糖化生物鹼呢？研究團隊測試了在煙草裡面做這件事，結果是可以的！但是，如果把GAME15拿掉，就又不行囉！這些結果顯示，雖然GAME15沒有什麼酵素活性，但是它就像樂團的指揮一樣，雖然不會演奏樂器，樂團沒有他就無法演奏出好聽的音樂了。

最後，在研究團隊把它砍掉的時候，他們意外地發現，雖然植物看起來「整株好好的」，可是卻變得很容易被蟲咬。而且，缺少了game15的植物，不僅不能合成糖化生物鹼，也不能合成皂素。也就是說，過去找不到的皂素合成機制，其實一直都在眼前，由糖化生物鹼的酵素們代勞了。

當研究團隊把無法表現game15的植物進行蟲害測試時，他們發現，害蟲喜歡吃沒有game15的植物！不論是茄科植物原產地的害蟲Empoasca decipiens（一種葉蟎），還是令人聞風喪膽的科羅拉多金花蟲（Leptinotarsa decemlineata），都偏愛沒有game15基因的突變株。

所以，GAME15透過自己的頭（N端）與GAME6、GAME8以及GAME11蛋白互動，來調節植物合成皂素與糖化生物鹼的活性。雖然GAME15本身沒有酵素活性，但是這些酵素們卻怎樣都少不了它呢！

參考文獻：

Marianna Boccia, Danny Kessler, Wibke Seibt, Veit Grabe, Carlos E. Rodríguez López, Dagny Grzech, Sarah Heinicke, Sarah E. O’Connor, Prashant D. Sonawane. A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants. Science, 2024; DOI: 10.1126/science.ado3409