技术进展 | 改造植物P450酶功能的高效方法

细胞色素P450（以下简称P450）是一类以血红素为辅基的细胞色素超家族蛋白酶，在生物体中负责催化高难度、极具挑战的复杂化学反应。植物中大约有1%的基因编码P450酶，是植物天然产物结构多样的重要驱动因素之一。鉴于目前只有少部分植物P450酶的功能被解析，改造植物P450酶的功能可进一步扩大植物P450酶的应用范围。

近日，云南师范大学马铃薯科学研究院尚轶课题组与诺和诺德研究人员合作在Science China Life Sciences发表了题为A structural and data-driven approach to engineering aplant cytochrome P450 enzyme 的研究论文，开发了一套基于蛋白结构与组学数据改造植物P450酶功能的方法。

葫芦素（Cucurbitacins）和罗汉果醇（Mogrosides）是植物三萜类化合物，具有相同的骨架结构却截然不同的理化性质和生物活性。葫芦素味道极苦，具有很好的抗虫活性；而罗汉果醇是罗汉果苷的前体，后者作为极强的天然非糖甜味剂，被广泛应用于食品领域。由于两者化学结构十分相似，参与葫芦素C合成的P450酶经过改良则可能参与合成罗汉果醇。

在此研究中，研究人员首先利用Rosetta和Gremlin软件对目标P450酶进行精准蛋白结构预测，利用氨基酸共进化信息与实验数据优化蛋白模型。经过三轮的迭代设计以及对96组突变组合的功能筛选鉴定，参与葫芦素C合成的多功能P450酶CYP87D20被改造为单加氧酶，可定向催化葫芦二烯醇生成11-羟基葫芦二烯醇。对酶的稳定性考察及其催化反应的动力学研究表明，改造后的P450酶具有良好的催化效率及蛋白稳定性，为下一步创建新的罗汉果醇合成代谢途径打下了基础。本研究中采用的P450酶功能改良策略可进一步应用于其他植物P450酶，为植物天然产物代谢工程及合成生物学研究提供了新的思路。

图1. A：葫芦素C（绿色）、罗汉果醇（紫色）原有合成途径及拟创建的新的合成途径（红色）；B：利用Rosetta软件模拟CYP87D20结构；C：改造后突变酶的催化效率及蛋白稳定性。

中国农业科学院农业基因组研究所李大伟博士、马永硕博士与华中科技大学药学院副教授周渊博士为该文章的共同第一作者，Per Greisen研究员和云南师范大学马铃薯科学研究院尚轶研究员为通讯作者。