困扰科学界数十年 “红色万能酶”全长结构终被破解

P450酶含有血红素且能催化羟化、环氧化、脱烷基化、碳-碳偶联、氧化裂解等各式各样不同反应，因而被称为“红色万能酶”，通过酶催化可解决药物和化学品生产过程造成的环境污染问题。但是自P450酶被发现数十年来，其晶体结构一直没能被解析出来，催化机理也困扰着科学界。

近日，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的陈纯琪教授团队，和马立新教授、郭瑞庭教授合作，成功破解难题，在P450酶完整催化机理的研究方面取得重要突破：阐明了电子如何从还原酶区域进入底物结合区的反应机理。相关研究成果发表在最新一期《自然·通讯》上。

易断裂降解，难识P450酶真面目

“自然界中存在非常多不同种类的P450酶，它们参与细胞的生理调控、药物代谢以及许多重要药物的合成。”陈纯琪介绍，比如我们人类的染色体上就带有超过50个P450酶的基因，它们负责胆固醇、固醇类激素和维生素D等重要化合物的合成；许多具有药物活性的植物或微生物次级代谢物（如青蒿素、紫杉醇），也是由P450酶负责催化合成的；还有一些药物的化学结构非常复杂，单纯以人工合成方法大量生产极为困难，而P450酶能够对这类复杂过程进行精准调控。

科学家们发现，P450酶能够识别多种底物（参与生化反应的物质），由此利用基因工程改造P450酶来量身定制化学反应，成为一个热门研究方向。2018年诺贝尔化学奖得主阿诺德教授，就是利用改造P450酶实现各种特殊的化学反应而获奖。

一个完整的P450酶系统由3个部件组成：带有血红素的底物结合区；负责产生电子的还原酶；连接底物结合区和还原酶的通道。“这就像一个电器需要插上电才能工作，带有血红素的底物结合区就像电器本身，供电的插座就像还原酶，而电线就是连接两端的电子通道。”陈纯琪解释道，在建立一个P450酶反应系统时需要把所有组件都找齐了，组装在一起后才能进行催化反应。有一些三种组件都串联在一起的P450酶，称作“自给自足P450酶”，这样的系统不需要另外寻找相匹配的“供电器”与“电线”，因此在应用的时候有巨大优势，也是方便科学家们研究的“明星”P450酶。

P450酶的血红素结合区识别底物机制的研究已经相当成熟，针对底物结合区的改造工程也有非常多的研究报道，但是对于电子如何从还原酶送入活性中心却仍有许多未知之处。而这需要获得P450酶的晶体结构，即完全看清酶的长相。由于全长P450酶在表达、纯化后，酶蛋白很容易断裂、降解掉，因此难以获得其完整的晶体，识别全长P450酶的结构也一直没有任何突破。

“看”清全长结构，解开P450酶催化路径

陈纯琪带领的结构生物学研究团队经过不懈的努力，找到了一个来源于耐热菌中“自给自足”的P450酶，这个P450酶在70℃的高温下也特别稳定，也不会断裂或是降解，因此特别易于结晶。陈纯琪团队利用先进的X光晶体学技术，成功解析了“自给自足P450酶”的高分辨率全长结构。

“我们经过研究发现，整个P450酶的三个组成部件, 从基因序列的排序依次为：血红素结合区—还原酶结构域—铁氧还蛋白结构域。这三个区域各带有一个辅因子，三个辅因子成为P450酶内部电子传递的中转站。电子传递就像送快递一样，需要经过几个中转站。”陈纯琪介绍，晶体结构显示，血红素结合区和还原酶分别位于整个蛋白质的两端，血红素结合区这一端朝外，露出开口以方便底物进入，而电子传递经过几个中转站，最终成功送达到血红素进行酶催化反应。

科研人员观察到中间有许多的氨基酸，并证实了其中几个氨基酸对于P450酶的电子传递很重要。这是迄今为止国内外首次解析“自给自足P450酶”的全长三维结构，是一个非常重要的里程碑，对于其他各类P450酶的改造与应用具有重要指导意义。

陈纯琪表示，他们研究团队目前正利用所获得的结构学信息，加速对P450酶进行更加深入的设计改造，以期培育出能催化更多重要反应的新酶，早日实现P450酶的绿色生物工艺制造，并应用于生物科技、制药工程与化工产业。