我国科学家解析青蒿素类过氧桥键合成机制

图2。y224突变后酶反应产物的高效液相色谱图

图3。y224突变后酶反应产物的结构

中国学者涂有友教授因发现青蒿素而分享了2015年诺贝尔生理医学奖。经过12年和4000万美元的艰苦研究，加州大学伯克利分校的杰伊·卡斯林教授终于在2013年4月10日的《自然》杂志上发表了他们的研究成果。合成生物技术的应用成功地在转基因酵母中生产出青蒿素，这是青蒿素合成的前体，在利用酵母生产青蒿素方面取得了突破和革命性的进展。这些含有过氧桥键的萜类吲哚生物碱通常具有多种生物活性，包括抗感染、抗肿瘤和抗心律失常药物，其中最具代表性的青蒿素已在临床上用作抗疟疾药物(基于青蒿素的联合疗法(ACTs)近40年。青蒿素的生物活性与过氧键密切相关，但尚未发现催化青蒿素从青蒿素酸形成的环状过氧键酶，这已成为一个世界性问题。

微生物研究所张立新研究员领导的973项目“合成微生物系统适应性研究”大胆推测，催化此类反应的环状过氧键元素可能来自黄花蒿共生真菌，并试图从自建的海洋微生物天然产物库中寻找含过氧桥键的萜类吲哚生物碱及其相应的过氧化氢酶。通过与973名海外团队成员、波士顿大学刘平华教授的研究组和得克萨斯大学奥斯汀分校张炎教授的研究组的密切合作，从几株曲霉和莫尔霉菌中分离出一种具有抗感染等生物活性的萜类吲哚生物碱真菌毒素疣孢原。这种化合物中的过氧桥键是否依赖于？酮戊二酸单核非血红素酶FtmOx1的催化合成上述研究结果发表在11月3日出版的《自然》杂志的网络版上。

本文首次报道了FtmOx1的晶体结构和FtmOx1与α-酮戊二酸和底物烟曲霉毒素B的共晶结构，并通过详细的酶学实验结果验证了FtmOx1的功能。当α-酮戊二酸和两个氧原子结合到铁中心时，酪氨酸残基(Y224)保护催化中心不与底物直接接触，而绝大多数α-酮戊二酸的其它单核非血红素酶的活性中心可以直接作用于底物，因此这也是FtmOx1催化的独特特征。当Y224突变成丙氨酸或苯丙氨酸时，FtmOx1催化的主要产物不再是过氧键化合物，这进一步表明Y224残基在催化环内过氧键中的重要性。此外，快速反应动力学和冷冻猝灭电子自旋谱的结果证实了FtmOx1反应中*基中间体的存在。阐明这种特殊的环内过氧桥键的新生物合成机制是发现催化青蒿素从青蒿素酸形成的环内过氧键酶的一大进步。对其酶学机理的进一步研究将为含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。研究员张立新、刘平华教授和张炎教授是这些信件的共同作者。微生物研究所副研究员宋福兴和其他人是合著者。这项研究得到了国家杰出青年基金和973项目的支持。