Tatsis组解码二苯甲酮和呫吨酮生物合成途径中细胞色素P450的催化活性

英文原题：

Decoding the cytochrome P450 catalytic activity in divergence of benzophenone and xanthone biosynthetic pathways

通讯作者：Evangelos C. Tatsis, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心

作者：Ya Wang, Ana Luisa Malaco Morotti, Yiren Xiao, Zhuo Wang, Song Wu, Jianghua Chen, and Evangelos C. Tatsis*

背景介绍

二苯甲酮和呫吨酮是具有 C6-C1-C6 碳骨架的两类多酚化合物，由于其光物理特性，在工业和医药领域被广泛应用。在自然界中，二苯甲酮和呫吨酮广泛存在于细菌、真菌和植物中，但是这两类化合物中的绝大多数(约80%)主要是从植物中分离出来的。藤黄植物中的二苯甲酮和呫吨酮，其结构骨架通过在多个位置进行羟基化、异戊二烯等功能修饰生成各种复杂的结构，如二苯甲酮衍生物 garcinol 和 oblongifolin C；呫吨酮衍生物 gambogic acid和 α-mangostin，这些化合物已被提议作为新型抗癌药物的探针，是潜在的高效低毒抗肿瘤药物。并且它们还具有广泛生物活性，包括抗菌、抗氧化、抗病毒、抗寄生虫、抗炎特性（图1）。

据已有的文献分析，二苯甲酮是呫吨酮的前体，二苯甲酮通过分子内环化生成呫吨酮，然而，藤黄属植物中大部分二苯甲酮类化合物(如 garcinol, oblongifolin A)在结构上并没有分子内环化，虽然也经历了多种功能修饰，但保持其基本的二苯甲酮骨架，这说明植物中或许存在着一种羟基化酶，可以控制开环或闭环反应，决定 C6-C1-C6 碳骨架生成二苯甲酮或呫吨酮两种不同类型的化合物。

图1. 藤黄属植物二苯甲酮和呫吨酮的代谢途径

文章亮点

该研究基于转录组和代谢组学分析，以及生化实验首次解析了决定二苯甲酮和呫吨酮合成的关键基因，其中 CYP1(GxCYP81AA4) 催化底物发生分子内环化，是二苯甲酮转变为呫吨酮的关键酶；CYP10(GxCYP71AH51) 具有呫吨酮-6-羟基化活性(X6H)，酶活反应生成的1,3,6,7-四羟基呫吨酮是绝大多数呫吨酮类化合物的代谢前体；CYP3(GxCYP81AA5) 是具有双功能的酶，催化底物2,4,6-triHB 的C(3’)和C(4’) 处的两个串联的羟基化反应，此时底物并不发生分子内环化反应，产物为2,3',4,4',6-五羟基二苯甲酮，维持了二苯甲酮基本的骨架（图1）。

作者应用建模工具 Alphafold2 构建了 CYP3 蛋白的三维结构。通过 CYP3 底物识别位点和分子对接实验，确定了酶活性口袋中影响酶与底物结合构效的关键残基 V375，通过理性设计将其突变成不同侧链位阻的氨基酸，使得酶底物活性口袋容积发生变化，底物与酶的结合位置随之改变，底物发生不同位置的羟基化反应（图2）。此外，研究人员还发现 S479 和 K480 这两个位点可能是底物进入通道的重要组成部分，进一步通过对这两个位点进行人工改造，实现了该蛋白的功能优化，使得酶活力及催化效率得到了明显的提升，最终实现了底物催化生成特定产物，为该类酶的后续改造与应用研究奠定了良好的基础。

图2. 改造CYP3以促进蛋白功能优化

相关论文发表在 ACS Catalysis 上，中科院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士生王亚为该论文的第一作者，Evangelos Tatsis 研究员为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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