P450cam和P450BM3共进化同工酶的结构功能关系解析
批准号:
32071266
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
马莉
依托单位:
学科分类:
蛋白质、多肽与酶生物化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
马莉
中文摘要
细胞色素P450单加氧酶能够高效催化碳-氢键选择性氧化,在精细化学品及药物生产上具有巨大的应用价值。然而,利用(半)随机突变针对某一特定P450酶的非/半理性改造具有一定盲目性,缺少对P450酶家族共有底物识别与催化机理的规律性认识,极大限制了其更加广泛的应用。申请人前期工作中发现序列相似度低且天然底物谱截然不同的两种模式P450酶,即P450cam和P450BM3经共定向进化后可识别同一底物龙涎醚并催化相同反应(3α-羟化),该结果暗示不同P450酶可能存在一些隐藏的共有底物识别与反应模式。有鉴于此,本项目拟针对上述趋同进化获得的3α-羟化同工酶,研究不同活性口袋产生相同底物特异性和催化功能的结构基础,应用结构生物学探究参与底物识别/催化的关键氨基酸-结合口袋三维轮廓-立体/区域选择性之间相互关联规律,为快速理性改造P450酶提供新思路,同时为化学品和新药生产开发新型P450生物催化剂。
英文摘要
Cytochrome P450 monooxygenases can catalyze efficient and selective C-H bond oxidation, thus holding great application values in syntheses of drugs and fine chemicals. However, the use of (semi-)random mutagenesis strategies towards a specific P450 for non-/semi-rational engineering purposes via directed evolution is somewhat aimless. It remains a long-standing puzzle to understand the intrinsic laws for substrate recognition and catalytic mechanism in P450 superfamily. In our previous work, we found that co-directed evolution of the prototypic P450cam and P450BM3 with low sequence similarity and distinct substrate scopes led to a common substrate recognition (ambroxide) and catalytic activity (3α-hydroxylation). This result implicates that there might exist some intrinsic laws to guide the substrate recognition and reaction mode of P450 enzymes. Thus, the present project is aimed to understand how the distinct active sites of the two isoenzymes generate the same catalytic function from a structure biology angle. The interrelated concepts about the key active-site residues for substrate recognition and catalysis, 3-D contour of the buried cavity and regio-/stereoselectivity will be established in order to provide a deeper understanding of the structure-function relationship of P450 enzymes. This study will also facilitate the more efficient and precise protein engineering of cytochrome P450 enzymes in the future. The resulting mutant P450 enzymes could serve as useful biocatalysts for syntheses of chemicals and drugs.
碳-氢键选择性氧化与蛋白质人工设计是化学与生物学领域的重大科学难题。P450酶在生物合成和降解代谢中负责催化多种碳-氢键选择性氧化反应,是生物针对碳氢键选择性氧化问题进化出的天然解决方案。定向进化是提升酶催化性能的有效手段。然而在定向进化实验中,为了获得符合目标要求的突变体,往往需要构建数目巨大的突变体酶库,因此筛选能力成为定向进化实验的主要瓶颈之一。本项目受自然进化的启发,设计了一种“多酶多底物”(两个模式P450酶和七种底物)的定向进化新策略。该策略使筛选通量提升14倍,获得了近三万个P450酶反应数据,为功能酶的筛选以及机器学习和人工智能设计提供海量突变体催化数据。. P450cam和P450BM3的氨基酸序列相似度不足20%,底物结合口袋大小差异显著,分别能够催化体积较小的萜类化合物樟脑和长链状的脂肪酸。使用双酶七底物策略,获得了一系列可以催化相同底物(龙涎醚)的同工酶。为了探究底物结合口袋完全不同的两个P450酶如何识别相同的底物并催化相同的反应,我们解析了四个突变体酶(P450BM3-F87A/V78S、P450BM3-F87A/L75N/V78S、P450BM3-F87A/V78G和P450cam-F87R)与龙涎醚结合的共晶结构。通过比较分析以上晶体结构,我们发现特定氨基酸的突变能够重塑底物结合口袋,从而提高酶对底物的催化效率。尤其重要的是,在酶催化口袋上方引入极性氨基酸,可与底物分子中的氧原子形成氢键,这为底物特异高效地结合在酶催化中心提供了锚定位点,对实现酶位点选择性氧化起到了至关重要的作用。这些研究结果突显了口袋形状和关键极性氨基酸在酶重新设计中的重要意义,初步揭示了底物识别与反应选择性机制,为P450酶的人工设计提供了理论指导。. 本项目获得的P450突变体酶可以高效催化龙涎醚,生成3β-OH-龙涎醚,这是一种具有应用价值的香料分子。此外,还获得了能够利用过氧化氢作为电子供体驱动反应的P450突变体酶,该酶具有极好的底物宽泛性,可高效制备染料和半导体材料。
P450单加氧酶AveE催化阿维菌素呋喃环形成的机制研究
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批准号:31600045
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:22.0万元
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批准年份:2016
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负责人:马莉
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依托单位:
国内基金
海外基金