困擾科學界數十年 「紅色萬能酶」全長結構終被破解

P450酶含有血紅素且能催化羥化、環氧化、脫烷基化、碳-碳偶聯、氧化裂解等各式各樣不同反應，因而被稱為「紅色萬能酶」，通過酶催化可解決藥物和化學品生產過程造成的環境汙染問題。但是自P450酶被發現數十年來，其晶體結構一直沒能被解析出來，催化機理也困擾著科學界。

近日，湖北大學生命科學學院、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：闡明瞭電子如何從還原酶區域進入底物結合區的反應機理。相關研究成果發表在最新一期《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，牠們參與細胞的生理調控、藥物代謝以及許多重要藥物的合成。」陳純琪介紹，比如我們人類的染色體上就帶有超過50個P450酶的基因，牠們負責膽固醇、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酶負責催化合成的；還有一些藥物的化學結構非常複雜，單純以人工合成方法大量生產極為困難，而P450酶能夠對這類複雜過程進行精準調控。

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

一個完整的P450酶系統由3個部件組成：帶有血紅素的底物結合區；負責產生電子的還原酶；連接底物結合區和還原酶的通道。「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合區就像電器本身，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酶反應系統時需要把所有組件都找齊了，組裝在一起後才能進行催化反應。有一些三種組件都串聯在一起的P450酶，稱作「自給自足P450酶」，這樣的系統不需要另外尋找相匹配的「供電器」與「電線」，因此在應用的時候有巨大優勢，也是方便科學家們研究的「明星」P450酶。

P450酶的血紅素結合區識別底物機制的研究已經相當成熟，針對底物結合區的改造工程也有非常多的研究報道，但是對於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酶的晶體結構，即完全看清酶的長相。由於全長P450酶在表達、純化後，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酶的結構也一直沒有任何突破。

「看」清全長結構，解開P450酶催化路徑

陳純琪帶領的結構生物學研究團隊經過不懈的努力，找到了一個來源於耐熱菌中「自給自足」的P450酶，這個P450酶在70℃的高溫下也特別穩定，也不會斷裂或是降解，因此特別易於結晶。陳純琪團隊利用先進的X光晶體學技術，成功解析了「自給自足P450酶」的高分辨率全長結構。

「我們經過研究發現，整個P450酶的三個組成部件, 從基因序列的排序依次為：血紅素結合區—還原酶結構域—鐵氧還蛋白結構域。這三個區域各帶有一個輔因子，三個輔因子成為P450酶內部電子傳遞的中轉站。電子傳遞就像送快遞一樣，需要經過幾個中轉站。」陳純琪介紹，晶體結構顯示，血紅素結合區和還原酶分別位於整個蛋白質的兩端，血紅素結合區這一端朝外，露出開口以方便底物進入，而電子傳遞經過幾個中轉站，最終成功送達到血紅素進行酶催化反應。

科研人員觀察到中間有許多的氨基酸，並證實了其中幾個氨基酸對於P450酶的電子傳遞很重要。這是迄今為止國內外首次解析「自給自足P450酶」的全長三維結構，是一個非常重要的里程碑，對於其他各類P450酶的改造與應用具有重要指導意義。

陳純琪表示，他們研究團隊目前正利用所獲得的結構學資訊，加速對P450酶進行更加深入的設計改造，以期培育出能催化更多重要反應的新酶，早日實現P450酶的綠色生物工藝製造，並應用於生物科技、製藥工程與化工產業。