成都生物所占國強團隊解析了(R)-選擇性苯乙烯單加氧酶的晶體結構并揭示其立體調控機制
來源：生態環境修復中心
時間：2025-07-31
光學純環氧化合物是制備許多醫藥、農藥、天然活性物質的重要前體，烯烴不對稱環氧化是制備光學純環氧最直接有效的方法之一。苯乙烯單加氧酶可以催化部分烯烴不對稱環氧化制備光學純(R)-或(S)-環氧化合物。然而，該酶催化烯烴不對稱環氧化的立體調控機制尚不清楚，阻礙了通過蛋白質工程改造獲得立體選擇性高且底物譜寬泛的酶制劑。
為解決上述問題，中國科學院成都生物研究所聯合中國科學院深圳先進院以及河南農業大學，解析了(R)-選擇性苯乙烯單加氧酶SeStyA晶體結構，結合計算模擬分析，闡釋了(R)-選擇性苯乙烯單加氧酶催化烯烴環氧化的立體調控機制，為構建催化不同底物的(R)-或(S)-立體選擇性環氧化的突變體提供理論指導。
研究團隊首先解析了來自鏈霉菌Streptomyces vilmorinianum的(R)-選擇性苯乙烯單加氧酶SeStyA晶體結構（圖1），結合分子動力學模擬，確定活性中心的A59、A312、S178和A219位點可能為控制該酶催化環氧化立體選擇性的關鍵位點。通過點突變及分析，發現C=C近端殘基（A59和A312）與遠端殘基（S178和A219）大小決定該酶催化的立體選擇性。總體來說，立體選擇性機制遵循“拔河”模式：大近端殘基和小遠端殘基將該酶“拉向”(R)-立體偏好性，與之相反，小近端殘基和大遠端殘基將該酶“拉向”(S)-立體偏好性。進一步，該“拔河”模式在其它苯乙烯單加氧酶AaStyA和NaStyA中得到驗證（圖2）。
圖1.SeStyA晶體結構及影響其催化立體選擇性的關鍵位點解析
圖2. C=C的近遠端殘基對苯乙烯單加氧酶催化環氧化立體選擇性影響
苯乙烯單加氧酶SeStyA (a和b), AaStyA (c和d), NaStyA (e和f) 及其突變體催化對氯苯乙烯 (a, c和e) 和苯乙烯 (b, d和f)環氧化。
在該“拔河”模式立體控制機制的指導下，研究團隊深入地分析了各位點間的協同效應，并成功構建了一系列針對不同類型化合物具有優異的(R)-或(S)-立體選擇性的突變體（圖3）。
圖3. SeStyA（左）及其突變體（右）立體選擇性催化不同烯烴環氧化
與此同時，通過分子動力學模擬闡明了該“拔河”模式的分子基礎。結果顯示：底物在含大遠端突變體S178Y中以Re-face構型結合的自由能低于Si-face構型，生成(S)-環氧產物；而底物在含大近端小遠端突變體Mut4R（S178G/F57A/A312F/A59M）中以Si-face構型結合的自由能低于Re-face構型，生成(R)-環氧產物（圖4）。因此，底物在酶催化活性中的結合構型決定了該酶催化的立體選擇性。
圖4. SeStyA及其突變體與不同構象底物的結合自由能分析
相關研究以“Structural and?Mechanistic Insight into the Enantioselectivity of (R)-Selective Styrene Monooxygenases: A Tug-of-War between Proximal and Distal Residues"為題，發表于中科院一區TOP期刊Angewandte Chemie International Edition上（IF 16.9，1區top）。成都生物所博士研究生李執樸和中國科學院深圳先進院王蘭騰為論文共同第一作者，河南農業大學林暉副教授、中國科學院深圳先進院周佳海研究員和成都生物所吳中柳研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、國際訪問學者計劃、四川省自然科學基金等聯合資助。
