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2026年3月14日，Nature Communications在線發(fā)表了上海辰山植物園(中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辰山科學研究中心)李建戌研究組題為“Molecular mechanism underlying regulation of chalcone synthase by chalcone isomerase-like protein”的研究論文。該研究首次解析了植物黃酮類化合物生物合成途徑關鍵酶——查爾酮合酶(Chalcone synthase，CHS)與IV型查爾酮異構酶(chalcone isomerase-like protein，CHIL)形成的蛋白復合體高分辨率三維結構，闡釋了CHIL調控CHS催化效率與產物特異性的分子機制，為深入理解植物次生代謝流的精準調控提供了重要見解。

黃酮類化合物是植物體內一類至關重要的次生代謝產物，在植物生長發(fā)育、逆境適應中發(fā)揮關鍵作用，同時因其顯著的抗氧化、抗炎、抗菌、抗病毒等生理活性而具有重要的食用和藥用價值。作為黃酮類化合物生物合成途徑中的第一個關鍵限速酶，查爾酮合酶(CHS)負責將代謝流從苯丙烷途徑引導到黃酮代謝途徑。然而，CHS本身存在“催化混雜性”，在酶活反應中能生成大量副產物，從而限制了黃酮類化合物的合成效率。此前研究發(fā)現(xiàn)，CHIL可以與CHS發(fā)生相互作用并調控其酶學特性，但具體的分子機制并不清楚。

為解決這一科學問題，研究人員成功解析了CHS-CHIL蛋白復合體的高分辨率晶體結構，結合生物化學分析與分子動力學模擬，逐步揭示了其調控機制。結構與生化分析顯示，CHIL通過其β-發(fā)卡結構控制底物結合口袋入口的開關，從而調控CHS的功能。分子動力學擬結果表明，CHIL對CHS產物特異性的調控可能發(fā)生在催化循環(huán)的早期階段，比如底物結合或中間體形成階段。CHIL借助β-發(fā)卡結構，通過促進輔酶A的釋放并協(xié)助CHS內部關鍵氨基酸殘基的正確定位，增強CHS的酶活性與產物特異性。研究進一步揭示了位于CHIL 蛋白β-發(fā)卡結構上的關鍵功能位點—His36的重要作用，在擬南芥及多種植物中將該組氨酸突變?yōu)榱涟彼岷?，CHS的催化效率與產物特異性得到進一步提升。

研究人員還追溯了CHIL蛋白的進化過程，對從苔蘚到被子植物的多種陸生植物CHIL同源蛋白進行了系統(tǒng)分析，證實該分子調控機制在陸地植物演化過程中高度保守?；谶M化分析結果，團隊成功設計出CHIL 的突變體 H36E/F37T，該突變體在增強CHS酶活性、提升黃酮類化合物合成效率方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能?？紤]到黃酮類化合物不僅是作物營養(yǎng)品質的核心指標，也是植物抵抗逆境脅迫的關鍵因素，這一調控機制的強化可以為作物適應復雜環(huán)境、提升營養(yǎng)品質提供了關鍵的分子改良靶點。

該研究是李建戌研究團隊在植物次生代謝調控領域取得的重要進展。研究揭示的CHS-CHIL復合體結構與分子調控機制信息，不僅回答了該領域長期存在的關鍵科學問題，深化了對黃酮代謝流調控核心元件的認知，也為未來通過分子設計改良作物黃酮類化合物的含量與組成、培育優(yōu)質抗逆新品種提供了直接的理論指導和潛在的蛋白工程改造靶點。

辰山植物園研究生王淞、科研助理馬立瑩和中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心的徐洲更博士為該論文的共同第一作者，上海辰山植物園(中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辰山科學研究中心)的李建戌研究員為該論文的通訊作者。上海師范大學的俞芳副研究員，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心的王佳偉研究員、張鵬研究員、朱木蘭研究員、郝潔副研究員和馬妙蓮正高級實驗師，山東大學的程愛霞教授，辰山植物園的許晶晶副研究員等也參與了研究和討論。該研究得到了國家自然科學基金、上海市農業(yè)科技創(chuàng)新項目以及上海市綠化和市容管理局科學技術項目等的資助。

圖1：CHS-CHIL復合體的結構與功能。

a-b：IV型查爾酮異構酶(chalcone isomerase-like protein，CHIL)可以調控查爾酮合酶(Chalcone synthase, CHS)的催化效率與產物特異性;c：CHS-CHIL復合體的晶體結構。

圖2：CHIL調控CHS活性的分子機制。

在沒有CHIL結合時，CHS的催化效率較低，且因產物CoA釋放緩慢而產生更多副產物;當CHIL與CHS結合后，其β-Hairpin結構不僅能加速CoA釋放，還可以穩(wěn)定CHS活性位點的正確構象，所以CHS的催化效率顯著提高，副產物大大減少。