酶催化专一性在传统认知中被广泛熟知，而杂泛性（enzyme promiscuity，亦称多功能性），作为与酶专一性对应的酶学现代术语，其概念尚不够明晰。当前往往把酶杂泛性又进一步分为条件杂泛性、底物杂泛性和催化杂泛性。其中催化杂泛性一般指能够催化同一底物生成多种不同产物。已经有大量实验发现，参与萜类天然产物的生物合成的很多酶，都具有催化杂泛性，这或许也是萜类分子从简单的5碳单元从线性底物出发，可以获得复杂多样的环骨架的重要原因之一。

倍半萜环化酶（FPPC）是萜类天然产物中非常重要的一类酶。多数FPPC（尤其在植物中）都具有催化杂泛性（catalytic promiscuity），少部分FPPC则具有高度催化专一性（fidelity）。来自烟草的TEAS和土曲霉中的ATAS，分别是杂泛性与专一性FPPC的典型代表。虽然二者都以FPP（法尼基焦磷酸）作为原始底物，且具有相似的催化反应途径（最终主产物一样仅是单个位置立体构型上差别），但TEAS有显著的催化杂泛性生成多种副产物，而ATAS则具有专一性只生成唯一终产物。因此，对这两者的比较研究有助于揭示倍半萜类环化酶催化的关键调控因素。中山大学药学院巫瑞波教授（点击查看介绍）课题组通过量子力学/分子力学组合方法（QM/MM）开展动力学模拟（MD），系统研究了它们的酶催化分子机制（ACS Catal., 2016, 6, 6918; J. Chem. Inf. Model., 2016, 56, 877; Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 15061），并在近期获得了完整的催化反应自由能曲线（ACS Catal., 2020, 10, 1470），如图1所示。

图1. 倍半萜环化酶TEAS和ATAS完整催化过程自由能曲线

研究发现，在TEAS和ATAS中，反应第一步底物发生焦磷酸断裂产生的焦磷酸基团（PPi moitety）都将作为广义酸/碱（general acid/base）参与到后续催化过程中。尤其是在最后一步作为广义碱，使碳正离子中间体去质子化生成最终产物。这为之前一直存在争议的萜类环化酶广义酸/碱催化问题提供了新的证据。在TEAS中还发现了额外的广义酸碱残基对（Asp444-Tyr520, D-Y dyad），可以参与到中间体的质子化/去质子化过程中，进一步增强了TEAS的催化杂泛性，并且合作者暨南大学药学院訾佳辰教授课题组通过一系列点突变实验，进一步验证了TEAS中D-Y dyad的重要性。计算模拟发现，在ATAS中，芳香残基Phe81和Phe147通过立体效应（steric effect）和阳离子-π相互作用（cation-π interactions）很好地稳定了碳正离子中间体，从而避免副反应发生，确保了它的高度专一性。如图2所示，研究人员进一步对比了第一家族（class I）和第二家族（class II）的萜类环化酶，归纳了催化过程中的三个潜在关键化学调控因素（图3）：底物折叠模式、中间体柔性和关键残基作用。本研究案例中，ATAS中前两项都较为刚性，而关键残基稳定作用也极其严格保守，从而保障是酶催化专一性，TEAS中则同时受到了三种因素的影响，从而可以生成多种产物。

图2. 萜类环化酶催化功能区分析

图3. 关键化学调控因素：底物折叠模式、中间体柔性和关键残基作用

对萜类环化酶催化过程关键调控因素的研究，有助于识别酶蛋白口袋中的热点残基 （hotspot），从而挖掘酶活性口袋可塑性。研究中应用的QM/MM MD计算结合实验的方法，可以应用到其他萜类酶生源机制研究和酶活性重设计当中，进行酶突变改造，从而帮助提高特定目标产物的催化效率抑或获得新催化功能。

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Enzyme Promiscuity versus Fidelity in two Sesquiterpene Cyclases (TEAS versus ATAS)

Fan Zhang, Tianyue An, Xiaowen Tang, Jiachen Zi, Hai-Bin Luo, Ruibo Wu

ACS Catal., 2020, 10, 1470, DOI: 10.1021/acscatal.9b05051

导师介绍

巫瑞波

https://www.x-mol.com/university/faculty/18498