天然产物是从动物、植物、微生物的体内或其代谢产物中发现的各种各样有机物的总称。过氧桥环类天然产物，因具有抗炎、抗感染、抗肿瘤等多种多样的生物活性而备受关注，其中最具有代表性的青蒿素在临床上已经有几十年的应用历史。这一类化合物的特征是都带有内过氧桥键，这也是它们活性的来源。

来源于烟曲霉的FtmOx1是首个发现的铁/α-酮戊二酸依赖型过氧桥环合酶，能够在烟曲霉震颤B素（fumitremorgin B）的两条侧链之间插入一个氧气分子形成过氧桥环结构，催化生成疣孢青霉原（verruculogen）。过去有多个课题组分别通过实验和理论研究尝试探索FtmOx1的催化机制，发现在这一反应过程中有酪氨酸自由基的形成。他们结合已报导的FtmOx1母体结构，提出了两类不同的反应机理：一是铁氧复合体通过224位酪氨酸间接作用于底物，形成过氧桥键后由还原剂抗坏血酸淬灭自由基生成产物；二是类CarC机理，铁氧复合体直接作用于底物，形成过氧桥键后68位酪氨酸再提供氢原子淬灭自由基生成产物。由于一直没有FtmOx1与底物或产物的复合物结构获得解析，究竟哪种机理更加合理没有明确的定论。

近日，上海中医药大学的岑一欣博士、厦门大学王斌举教授和中国科学院深圳先进院合成生物学研究所周佳海研究员合作，通过在手套箱中蛋白结晶的操作，首次解析得到1.22埃分辨率的FtmOx1与α-酮戊二酸、底物分子三元复合物晶体结构。在该结构中，他们成功地捕捉到了底物fumitremorgin B分子的清晰电子密度。该分子呈平面展开构象，插入FtmOx1的催化口袋中。与母体蛋白相比，口袋两侧的蛋白骨架均向底物夹紧，使68位酪氨酸、催化中心亚铁离子分别靠近了相应的催化位置，而原本在母体结构中挨近亚铁离子的酪氨酸224则由于该构象变化远离了催化中心，导致铁氧复合体通过它来间接作用于底物的机制变得不再可行。

基于复合物结构，他们通过分子动力学计算发现铁氧复合体能够直接选择性地夺取底物21号C上的Pro-R氢原子，这解释了该反应为何具有高立体选择性。同时，68位酪氨酸也被证明能够在过氧桥键形成后为26号碳提供氢原子，对产物的形成起到至关重要的作用。进一步的量子力学/分子力学等理论计算从能量的角度证明了类CarC机理的整个反应进程能够顺利发生。

该研究综合高分辨率的复合物晶体结构测定和详细的理论计算阐明了FtmOx1这一特殊过氧桥环合酶的催化机制，体现了结构生物学在酶学机制研究中的不可替代作用，也为未来过氧桥环类天然化合物的生物合成制备奠定了基础。

论文信息：

Structural Insight into the Catalytic Mechanism of the Endoperoxide Synthase FtmOx1

Jiahai Zhou, Lian Wu, Zhanfeng Wang, Yixin Cen, Binju Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202112063