科学家解析出青蒿素类过氧桥键的生物合成机制
自然界中含有过氧桥键的化合物具有多种生物活性，包括抗感染、抗肿瘤、以及抗心律失常，其中最具代表性的青蒿素（artemisinin)已经作为抗疟疾药物应用于临床近40年。我国学者屠呦呦近日也因青蒿素研究工作共同获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。美国加州大学伯克利分校教授Jay Keasling曾耗时12年，花费4000万美元进行艰辛研究，最终联合Amyris公司于2013年4月10日在《自然》（Nature）杂志上发布了他们的成果：应用合成生物学技术成功在转基因酵母中生产出青蒿素合成的前体青蒿酸，使利用酵母生产青蒿素取得突破性和革命性进展。青蒿素的生物活性与过氧键密不可分，但催化青蒿酸形成青蒿素的环内过氧键合酶却一直没有找到，成为一道世界难题。
由中国科学院微生物研究所研究员张立新担任首席科学家的973项目“合成微生物体系的适配性研究”团队大胆猜测，催化这类反应的环内过氧键合酶元件可能来源于黄花蒿共生的真菌中，并试图从自主构建的海洋微生物天然产物库中发现这类含有过氧桥键的化合物及其相应的催化酶。通过与973海外团队成员、美国波士顿大学刘平华课题组和德克萨斯大学奥斯汀分校张燕课题组密切合作，他们从几株曲霉和靑霉菌种中分离出具有抗感染等多种生物活性的含过氧桥键萜类吲哚生物碱真菌毒素Verruculogen。同时，研究人员解析了该化合物中的过氧桥键是由一个依赖a-酮戊二酸的单核非血红素酶FtmOx1催化合成。上述研究结果11月3日在线发表于《自然》（Nature）杂志（doi:10.1038/nature15519）。
该文章首次报道了FtmOx1的晶体结构，以及FtmOx1分别与a-酮戊二酸和底物fumitremorgen B的共晶体结构，并通过详尽的酶学实验结果验证了FtmOx1的功能。当a-酮戊二酸和两个氧原子结合到铁中心后，酪氨酸残基（Y224）屏蔽了催化中心，使其不能直接接触底物，而其他绝大多数的a-酮戊二酸的单核非血红素酶的活性中心都可以直接作用于底物，这也是FtmOx1催化的独特之处。当Y224突变为丙氨酸或苯丙氨酸后，FtmOx1催化主产物不再是过氧键化合物，这也进一步表明了Y224残基在环内过氧键催化中的重要性。此外，快速反应动力学和冷冻淬火电子自旋光谱实验结果证实了FtmOx1反应中存在自由基中间体。
阐明这一特别的环内过氧桥键的生物合成新机制使发现催化青蒿酸形成青蒿素的环内过氧键合酶向前迈进了一大步。进一步研究其酶学机制将为含有过氧桥键的萜类吲哚生物碱的广泛应用奠定科学和应用基础。
由中国科学院微生物研究所研究员张立新担任首席科学家的973项目“合成微生物体系的适配性研究”团队大胆猜测，催化这类反应的环内过氧键合酶元件可能来源于黄花蒿共生的真菌中，并试图从自主构建的海洋微生物天然产物库中发现这类含有过氧桥键的化合物及其相应的催化酶。通过与973海外团队成员、美国波士顿大学刘平华课题组和德克萨斯大学奥斯汀分校张燕课题组密切合作，他们从几株曲霉和靑霉菌种中分离出具有抗感染等多种生物活性的含过氧桥键萜类吲哚生物碱真菌毒素Verruculogen。同时，研究人员解析了该化合物中的过氧桥键是由一个依赖a-酮戊二酸的单核非血红素酶FtmOx1催化合成。上述研究结果11月3日在线发表于《自然》（Nature）杂志（doi:10.1038/nature15519）。
该文章首次报道了FtmOx1的晶体结构，以及FtmOx1分别与a-酮戊二酸和底物fumitremorgen B的共晶体结构，并通过详尽的酶学实验结果验证了FtmOx1的功能。当a-酮戊二酸和两个氧原子结合到铁中心后，酪氨酸残基（Y224）屏蔽了催化中心，使其不能直接接触底物，而其他绝大多数的a-酮戊二酸的单核非血红素酶的活性中心都可以直接作用于底物，这也是FtmOx1催化的独特之处。当Y224突变为丙氨酸或苯丙氨酸后，FtmOx1催化主产物不再是过氧键化合物，这也进一步表明了Y224残基在环内过氧键催化中的重要性。此外，快速反应动力学和冷冻淬火电子自旋光谱实验结果证实了FtmOx1反应中存在自由基中间体。
阐明这一特别的环内过氧桥键的生物合成新机制使发现催化青蒿酸形成青蒿素的环内过氧键合酶向前迈进了一大步。进一步研究其酶学机制将为含有过氧桥键的萜类吲哚生物碱的广泛应用奠定科学和应用基础。
张立新、刘平华和张燕为论文的共同通讯作者，微生物所副研究员宋福行等为共同作者。该研究得到了国家杰出青年基金和“973项目”的资助。
图1. FtmOx1的晶体结构和活性位点
图2. Y224突变后酶反应产物的HPLC色谱图
图3. Y224突变后酶反应产物结构
来源：中国科学院微生物研究所