海洋学院王楠课题组在JACS发文揭示单个黄素酶催化复杂五环骨架构建机制

近日，浙江大学海洋学院王楠课题组与台湾阳明交通大学张晋源课题组合作，在化学领域顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society,JACS）上发表最新研究成果，首次从原子水平揭示了单个黄素依赖酶CpaO催化形成α-CPA复杂五环结构的精密机制。这项研究不仅解开了一个存在半个多世纪的生物合成谜题，也为海洋真菌来源天然产物的深度开发与化学酶法合成提供了全新工具。浙江大学海洋学院研究生王敏君、张文源为论文并列第一作者。

图1 a-CPA及麦角生物碱的生物合成途径对比及CPA的生物合成基因簇

真菌神经毒素a-CPA的未解之谜

海洋微生物是化学多样性和先导化合物来源。α-CPA作为一种著名的神经毒素和高效的Ca²⁺-ATP酶抑制剂，其独特的6/5/6/5/5五环吲哚骨架长期以来吸引着药物化学家和合成生物学家的目光。与麦角生物碱需要至少六个酶协同构建多环骨架的复杂策略不同，α-CPA在真菌中的生物合成仅需三个核心酶，显得异常精简。然而，最后一步由CpaO酶催化线性前体β-CPA一步构建起C环和D环的机制，在其被发现后到现在的半个多世纪中，一直未能被完全阐释。

科研突破：解析CpaO酶的“三维结构”与催化“开关”

为了揭开这一谜题，研究团队首先攻克了蛋白表达难题，成功获得了可溶且有活性的CpaO蛋白。在此基础上，他们培养了CpaO晶体，通过X射线晶体学技术，解析了CpaO及其与底物β-CPA复合物的高分辨率三维结构，首次揭示了其作为黄素依赖胺氧化酶（FAO）家族全新亚族的独特三结构域架构。

图2 CpaO的新结构、活性中性、共价结合的FAD辅基及关键氨基酸残基

研究识别出CpaO活性中心的关键氨基酸残基（如His165、Trp317、Asp412、Tyr283），它们像精确的“分子抓手”一样锚定底物，确保反应的立体选择性。更重要的是，结合结构、突变体和分子动力学分析，研究提出了一个清晰的氢负离子（hydride）转移驱动的双环化级联反应机制：CpaO的共价FAD辅基首先从底物抽取一个氢负离子，瞬间触发两次环化反应，精准构筑起C环和D环，最终生成α-CPA。其中，Tyr283和Ser167在这一过程中扮演着协同调控底物进出活性中心的“门卫”角色。

图3 CpaO催化的立体选择性氢负离子转移驱动的分子内双环化反应机制

研究意义：为海洋药物开发提供“精简工具箱”

该研究首次从原子水平完整揭示了一个黄素酶如何通过精巧的结构演化，单独催化完成通常需要多个酶协同才能实现的复杂成环反应。这一发现不仅解决了α-环匹克尼酸生物合成途径中长期悬而未决的机理问题，更重要的是，它拓展了黄素酶催化功能的认知边界。CpaO作为FAO家族一个新亚类的奠基成员，其高效、立体专一的催化机制为蛋白质工程改造提供了理想模板，也为未来从海洋真菌中发掘更多复杂吲哚生物碱，并利用化学酶法合成策略开发创新药物奠定了坚实的理论基础。

据悉，王楠课题组近年来依托浙江大学海洋学院和海洋精准感知技术全国重点实验室，聚焦海洋微生物生物合成、酶学机制及合成生物学研究，旨在为发现新型化学过程、开发海洋遗传资源及合成生物学提供技术支撑。此项成果是课题组继2025年度在Advanced Materials (IF 27.4) 发表合成生物学技术在海洋源仿生材料设计和应用成果后，在海洋天然产物生物合成领域的又一重要突破。

转载自浙江大学求是新闻网