完整酶结构      郭瑞庭供图

电子转达机制      郭瑞庭供图

5月29日
，《自然—通讯》在线揭晓了首个细胞色素P450酶的全长细腻三维结构
，解答了这一数十年未解的科学难题。

湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授陈纯琪、马立新和郭瑞庭相助完成了这项事情。他们剖析了一种P450酶CYP116B46的晶体结构
，并剖析电子在分子内转达的方法。这对相识P450的结构及完整机理提供了主要指导
，且对P450酶在医药和工业领域的应用具有主要价值。

万能生物催化剂

细胞色素P450是一种酶卵白
，最早于1955年在老鼠的肝脏细胞中发明
，由于其与一氧化碳团结的还原态吸收光谱波长约在450 nm而得名。

该卵白由血红素（heme）结构域和含有黄素单核苷酸（FMN）的还原酶结构域组成
；这两个部分通过包括铁硫簇的铁氧还卵白域相连。“细胞色素P450是一个重大的酶家族
，简称为CYP
，加入许多自然产品的合成途径与毒物、药物代谢反应。”论文通讯作者陈纯琪告诉《中国科学报》
，在植物中
，P450家族加入一些特殊化合物的合成
，如青蒿素和紫杉醇
；在人体中
，P450家族主要加入解毒历程
，如化解可以导致癌症的黄曲霉毒素等。

这是由于P450的催化多能性很高
，涉及20余类反应
，包括羟化反应、环氧化反应和成环反应等。其底物谱极广
，可以识别芳香族、聚酮类、萜类、肽类、糖类等类型的底物
，拥有“万能生物催化剂”之称。

它还具有高度区域选择性和立体选择性
，能特异性的识别结构位点和偏向。别的
，P450酶的底物团结区具有高度可塑性
，透过酶工程刷新可以改变底物谱
，在主要化学品和药物制造方面的应用深具潜力。

因此
，药物活性化与代谢主要都是由CYP这个酶家族所认真的
，约莫席卷了生物体中此类代谢的75%。

P450系统普遍保存于所有生物甚至病毒中
，已发明凌驾18000种P450系统。人体内已经发明凌驾57种P450系统
，大部分是膜卵白
，主要漫衍在粒线体内膜或内质网上。不过
，在大肠杆菌中未发明此类酶卵白的踪影。

“绝大大都P450酶需要氧化还原酶来提供电子
，以活化底物团结区的血红素
，进而转化底物。”陈纯琪说
，建设一个P450系统必需寻找同源或者相匹配的氧化还原酶。

在P450系统的9个家族中
，只有2个家族在统一条多肽链上自带氧化还原酶
，被称为自给自足的P450酶
，这类酶主要来自细菌。另外一些P450系统则需要从外界获得匹配的氧化还原酶
，这种情形主要爆发在动物体内。

“自给自足的P450酶在生物手艺应用方面是极具吸引力的生物催化剂。因此
，自给自足P450酶内部电子怎样转达是一个很是有趣且主要的课题。”论文通讯作者郭瑞庭告诉《中国科学报》
，此前
，科学家已经对P450系统中的血红素和FMN等结构域研究较量清晰
，但对中心毗连部分始终不相识
，缺乏全长细腻结构。

“在卵白纯化及作育晶体的历程中
，P450酶极易从中中止裂或降解
，因而很难获得完整的全长三维立体结构。”陈纯琪说。

获得全长P450细腻三维结构

现在已知的自给自足P450酶有两类。第一类以泉源于重大芽孢杆菌的CYP102A1为代表
，由氮端的血红素结构域和碳端的P450还原酶 （CPR）组成
，电子转达的偏向是从碳端向氮端转达。虽然这类P450酶的全长细腻结构仍然缺失
，但关于这类P450酶的电子转达机理也有了一些简陋的理论。

第一类自给自足P450酶结构域排列      郭瑞庭供图

第二类是CYP116
，该研究所涉及的CYP116B46就属于这一类。这类P450由氮端的 heme结构域和碳端的邻苯二甲酸二加氧酶还原酶类结构域（PDR）组成
，PDR包括了FMN-依赖的还原酶结构域与铁氧还卵白结构域。

第二类自给自足P450酶结构域排列      郭瑞庭供图

自给自足P450酶的一条多肽链内是怎样将电子从碳端转达到氮端的血红素的
？由于30多年来恒久缺乏全长的卵白质结构信息
，在该项研究之前尚不清晰。

英国曼彻斯特大学化学生物学教授萨宾·L·弗利奇（Sabine L. Flitsch）说：“获得全长酶是一项了不起的成绩。”许多小组
，包括她自己的小组
，都试图剖析这些结构
，由于它们作为生物催化剂具有重大的应用潜力。

“可以说晶体制备已经逾越科学
，险些成为一门艺术。”陈纯琪说
，要想获得一个完整的大卵白晶体结构
，其难度可想而知。

该研究所用的CYP116B46相对稳固
，加上郭瑞庭长年从事晶体制备和结构剖析事情积累的富厚履历
，他们得以使用X射线晶体学对其完整的晶体结构举行剖析。

结构剖析批注
，在这种酶中
，FMN足够靠近铁硫簇以实现直接电子转移
；但血红素离铁硫簇太远
，不允许电子直接转移
，而是依赖5个“二传手”氨基酸实现转达。

“我们剖析了泉源于CYP116B46全长的晶体结构
，且建设了清晰的酶结构模子。”郭瑞庭说
，这条一连性的多肽折叠成三个结构域
，由两段毗连肽相连
，从氮端到碳端依序为：血红素团结域、还原酶结构域和铁氧还卵白结构域。

郭瑞庭先容
，结构剖析后发明
，CYP116B46三个结构域的排列与电子转达的偏向竟然很是一致。血红素团结域的底物团结区朝向外
，有利于底物进入团结
，这显示结构的排列相当合理。其中
，还原酶结构域和铁氧还卵白结构域的直线距离为7.9Å
，有利于电子的直接转达。

“科学家普遍以为
，小于8 Å的距离是电子可以直接转达已往的。”郭瑞庭说。

另一方面
，铁氧还卵白结构域和血红素的直线距离达25.3 Å
，凌驾现在认定的有用直接电子转达距离。

5个“二传手”转达电子

“在这两个氧化还原中心之间
，由其他辅助因子来资助电子传送的可能性较低。”郭瑞庭诠释说
，由于结构显示二者之间的通道狭窄
，缺乏其他辅助因子团结的特征。另一方面
，思量到氨基酸也是一种电子载体
，以是二者之间的氨基酸也有可能在电子传送的历程中饰演主要角色。

“现在我们有时机设计还原酶结构域和电子转移途径。”陈纯琪说。

为了剖析这些氨基酸的侧链基团关于CYP116B46酶活性的影响
，他们将这些位点划分突酿成丙氨酸
，并举行产品天生量的测定来评估每个氨基酸饰演的角色。

郭瑞庭先容
，酶活测试效果显示
，R388、R718、E723、S726和E729的丙氨酸突变体活性显着下降。将这些位点再次标定在结构上
，可以看出大致的电子转达偏向。

R378A突变体卵白质缺乏血红素造成的红色
，一氧化碳处置惩罚后也没有泛起吸收峰带移的征象。加上R378的所在位置相近血红素
，推测R378可能与团结血红素相关。因此
，R378A的突变造成的效应越发重大
，需要进一步实验才华判断此一位点关于CYP116B46电子转达的影响。

[2Fe-2S] 与heme通道的氨基酸突变验证         郭瑞庭供图

“知道了氨基酸在电子转达历程中饰演的角色之后
，我们就可以思量寻找替换别的有用氨基酸
，提高电子转达效率。”郭瑞庭诠释说
，这就似乎换上一个手更长的“二传手”
，让电子能更快的转达已往。

这种设计将提高催化反应的效率。P450全长结构的剖析
，关于相识自给自足P450酶催化机理是一个很是主要的里程碑
，关于P450酶刷新与应用更具有主要的指导意义。

相关论文信息：https://doi.otg/10.1038/s41467-020-16500-5