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
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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
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。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
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。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
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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，，，，，，由于其与一氧化碳连系的还原态吸收光谱波长约在450 nm而得名
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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
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。“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
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。”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
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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
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。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
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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
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。别的，，，，，，P450酶的底物连系区具有高度可塑性，，，，，，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
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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%
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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
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。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
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。不过，，，，，，在大肠杆菌中未发明此类酶卵白的踪影
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“绝大大都P450酶需要氧化还原酶来提供电子，，，，，，以活化底物连系区的血红素，，，，，，进而转化底物
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。”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
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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
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。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
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“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
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。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
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。”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
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“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
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。”陈纯琪说
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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
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。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
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。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
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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
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。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
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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
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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
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。”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
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“可以说晶体制备已经逾越科学，，，，，，险些成为一门艺术
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。”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
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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
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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
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“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
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。”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：血红素连系域、还原酶结构域和铁氧还卵白结构域
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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
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。血红素连系域的底物连系区朝向外，，，，，，有利于底物进入连系，，，，，，这显示结构的排列相当合理
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。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
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“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
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。”郭瑞庭说
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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
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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
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。”郭瑞庭诠释说，，，，，，由于结构显示二者之间的通道狭窄，，，，，，缺乏其他辅助因子连系的特征
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。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
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“现在我们有时机设计还原酶结构域和电子转移途径
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。”陈纯琪说
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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
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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
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。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
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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
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。加上R378的所在位置相近血红素，，，，，，推测R378可能与连系血红素相关
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。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
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[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
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。”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
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这种设计将提高催化反应的效率
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。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
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相关论文信息：https://doi.otg/10.1038/s41467-020-16500-5