P450酶含有血紅素且能催化羥化、環(huán)氧化、脫烷基化、碳-碳偶聯(lián)、氧化裂解等各式各樣不同反應(yīng)，因而被稱為“紅色萬能酶”，通過酶催化可解決藥物和化學(xué)品生產(chǎn)過程造成的環(huán)境污染問題。但是自P450酶被發(fā)現(xiàn)數(shù)十年來，其晶體結(jié)構(gòu)一直沒能被解析出來，催化機理也困擾著科學(xué)界。

近日，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室的陳純琪教授團隊，和馬立新教授、郭瑞庭教授合作，成功破解難題，在P450酶完整催化機理的研究方面取得重要突破：闡明了電子如何從還原酶區(qū)域進入底物結(jié)合區(qū)的反應(yīng)機理。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期《自然·通訊》上。

易斷裂降解，難識P450酶真面目

“自然界中存在非常多不同種類的P450酶，它們參與細(xì)胞的生理調(diào)控、藥物代謝以及許多重要藥物的合成。”陳純琪介紹，比如我們?nèi)祟惖娜旧�體上就帶有超過50個P450酶的基因，它們負(fù)責(zé)膽固醇、固醇類激素和維生素D等重要化合物的合成；許多具有藥物活性的植物或微生物次級代謝物（如青蒿素、紫杉醇），也是由P450酶負(fù)責(zé)催化合成的；還有一些藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，單純以人工合成方法大量生產(chǎn)極為困難，而P450酶能夠?qū)�這類復(fù)雜過程進行精準(zhǔn)調(diào)控。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，P450酶能夠識別多種底物（參與生化反應(yīng)的物質(zhì)），由此利用基因工程改造P450酶來量身定制化學(xué)反應(yīng)，成為一個熱門研究方向。2018年諾貝爾化學(xué)獎得主阿諾德教授，就是利用改造P450酶實現(xiàn)各種特殊的化學(xué)反應(yīng)而獲獎。

一個完整的P450酶系統(tǒng)由3個部件組成：帶有血紅素的底物結(jié)合區(qū)；負(fù)責(zé)產(chǎn)生電子的還原酶；連接底物結(jié)合區(qū)和還原酶的通道。“這就像一個電器需要插上電才能工作，帶有血紅素的底物結(jié)合區(qū)就像電器本身，供電的插座就像還原酶，而電線就是連接兩端的電子通道。”陳純琪解釋道，在建立一個P450酶反應(yīng)系統(tǒng)時需要把所有組件都找齊了，組裝在一起后才能進行催化反應(yīng)。有一些三種組件都串聯(lián)在一起的P450酶，稱作“自給自足P450酶”，這樣的系統(tǒng)不需要另外尋找相匹配的“供電器”與“電線”，因此在應(yīng)用的時候有巨大優(yōu)勢，也是方便科學(xué)家們研究的“明星”P450酶。

P450酶的血紅素結(jié)合區(qū)識別底物機制的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，針對底物結(jié)合區(qū)的改造工程也有非常多的研究報道，但是對于電子如何從還原酶送入活性中心卻仍有許多未知之處。而這需要獲得P450酶的晶體結(jié)構(gòu)，即完全看清酶的長相。由于全長P450酶在表達、純化后，酶蛋白很容易斷裂、降解掉，因此難以獲得其完整的晶體，識別全長P450酶的結(jié)構(gòu)也一直沒有任何突破。

“看”清全長結(jié)構(gòu)，解開P450酶催化路徑

陳純琪帶領(lǐng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究團隊經(jīng)過不懈的努力，找到了一個來源于耐熱菌中“自給自足”的P450酶，這個P450酶在70℃的高溫下也特別穩(wěn)定，也不會斷裂或是降解，因此特別易于結(jié)晶。陳純琪團隊利用先進的X光晶體學(xué)技術(shù)，成功解析了“自給自足P450酶”的高分辨率全長結(jié)構(gòu)。

“我們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，整個P450酶的三個組成部件, 從基因序列的排序依次為：血紅素結(jié)合區(qū)—還原酶結(jié)構(gòu)域—鐵氧還蛋白結(jié)構(gòu)域。這三個區(qū)域各帶有一個輔因子，三個輔因子成為P450酶內(nèi)部電子傳遞的中轉(zhuǎn)站。電子傳遞就像送快遞一樣，需要經(jīng)過幾個中轉(zhuǎn)站。”陳純琪介紹，晶體結(jié)構(gòu)顯示，血紅素結(jié)合區(qū)和還原酶分別位于整個蛋白質(zhì)的兩端，血紅素結(jié)合區(qū)這一端朝外，露出開口以方便底物進入，而電子傳遞經(jīng)過幾個中轉(zhuǎn)站，最終成功送達到血紅素進行酶催化反應(yīng)。

科研人員觀察到中間有許多的氨基酸，并證實了其中幾個氨基酸對于P450酶的電子傳遞很重要。這是迄今為止國內(nèi)外首次解析“自給自足P450酶”的全長三維結(jié)構(gòu)，是一個非常重要的里程碑，對于其他各類P450酶的改造與應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

陳純琪表示，他們研究團隊目前正利用所獲得的結(jié)構(gòu)學(xué)信息，加速對P450酶進行更加深入的設(shè)計改造，以期培育出能催化更多重要反應(yīng)的新酶，早日實現(xiàn)P450酶的綠色生物工藝制造，并應(yīng)用于生物科技、制藥工程與化工產(chǎn)業(yè)。