中国医学科学院特聘教授最新Nature子刊文章：与众不同的酶

　　

生物通报道：来自中国医学科学院药物研究所，中科院生物物理研究所的研究人员从一株海洋红树林来源的土曲霉的基因组中首次发掘到一个新颖的aPTase基因AtaPT。并通过结构生物学阐明了AtaPT具有显著杂泛性的分子机制，研究指出AtaPT在药用活性化合物生物合成与天然药物合成生物学方面的巨大应用前景。

这一研究成果在线公布于12月19日的Nature Chemical Biology杂志上，文章的通讯作者分别是中国医学科学院药物研究所戴均贵教授，以及生物物理研究所孙飞研究员。戴均贵教授曾入选2006年度“教育部新世纪优秀人才支持计划”，被聘为协和学者特聘教授，协和创新团队带头人等，主要研究方向为天然药物生物合成 开展药用植物与微生物活性天然产物生物合成研究等。

传统上，酶被认为具有严格的底物及反应特异性，然而究发现许多酶却能催化不同于其“天然”的底物或反应，即杂泛性。酶的杂泛性越来越受到科学界的关注，但其分子机制尚未完全阐明。

在这篇文章中，研究人员发现了一个源于微生物、具显著底物及反应杂泛性的新颖芳香类化合物异戊烯基转移酶（aromatic prenyltransferase，aPTase）AtaPT，他们是从一株海洋红树林来源的土曲霉（Aspergillus terreus）的基因组中发掘到的AtaPT。研究发现，重组AtaPT不仅能接受不同链长（C5、C10、C15、C20）的异戊烯基供体，而且还能催化包括木脂素、色氨酸环二肽、喹啉生物碱、氧杂蒽酮、二苯甲酮、黄酮、香豆素等多种结构类型芳香类化合物进行高效异戊烯基化反应，包括单个以及多位点的O-、C-异戊烯基化反应等多种取代形式，显示了前所未有的底物与反应杂泛性。

研究人员还进一步通过结构生物学阐明了AtaPT具有显著杂泛性的分子机制：

1）AtaPT三维立体结构中拥有一个明显大于已报道的其他异戊烯基转移酶的疏水性受体底物结合腔；
2）AtaPT底物结合腔中存在多个不同的底物结合位点；
3）AtaPT具有多种构象，以适合不同结构底物的结合。

研究进一步在结构导向下，通过理性设计并结合基因定点突变技术，实现了从反应“杂泛性”到“选择性”的人工操控。这一研究对开发用于药用活性化合物生物合成以及合成生物学研究中引入异戊烯基的工具酶，进而为新药研发提供类型丰富的创新先导化合物具有重要意义。

异戊烯基取代的天然产物结构类型多样，并具多种药理活性，是创新药物的重要来源。天然产物分子中异戊烯基的引入不仅极大丰富了结构多样性，而且因亲脂性的增加而增强了与药物靶点的亲和力及生物利用度，从而提高了成药性。由于天然产物结构复杂多样，通过化学法进行异戊烯基化困难，利用杂泛性异戊烯基转移酶进行异戊烯基化则为此提供了新的策略。

作者简介：

戴均贵 湖北浠水人，1969年出生，博士，研究员，博士生导师，协和学者特聘教授，协和创新团队带头人，入选2006年度“教育部新世纪优秀人才支持计划”、2008年度“北京市优秀人才资助计划”。1991年、1996年获华中师范大学生物学学士、植物学专业硕士学位，1999年获中国协和医科大学生药学博士学位。1999年-2001年、2001年-2003年在北京大学医学部、日本新泻大学化学系（JSPS）进行博士后研究工作。2003年10月至今在中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室、卫计委天然药物生物合成重点实验室工作，研究方向为天然药物生物合成与生物催化。已在国际学术期刊包括Angewandte Chemie International Edition, Organic Letters, Advanced Synthesis & Catalysis, Chemistry-A European Journal, The Journal of Biological Chemistry, Journal of Natural Products, ChemBioChem, Tetrahedron, Phytochemistry等及国内学术期刊《药学学报》等上发表学术论文130余篇；申请发明专利9项，授权3项，参加编写专著6部。

主要研究方向：
（1）天然药物生物合成 开展药用植物与微生物活性天然产物生物合成研究，揭示其生物合成途径，尤其对其生物合成途径中关键酶及其反应机制进行阐释，人工构建生物合成途径并高效生产目标活性天然产物及非天然天然产物，解决药源不足问题及发现药物先导分子。

（2）天然药物生物催化 针对复杂结构活性天然产物结构优化中重要而化学法较难实现的选择性糖苷化、异戊烯基化、羟基化等反应，发掘新颖生物催化酶；采用结构生物学并结合定点突变等策略揭示催化机理及其杂泛性与选择性的结构基础，结构导向下对其进行理性设计，实现活性天然产物的可设计性、高效结构优化。

（3）特殊生境微生物中新颖结构活性天然产物的发现 从植物内生真菌、海洋微生物等中发现新颖结构活性天然产物，为新药研制提供具自主知识产权的先导化合物，亦为新颖结构活性天然产物的生物合成研究及新颖酶的发现及其酶学机制的阐释奠定基础。

原文摘要：

Molecular insights into the enzyme promiscuity of an aromatic prenyltransferase

Aromatic prenyltransferases (aPTases) transfer prenyl moieties from isoprenoid donors to various aromatic acceptors, some of which have the rare property of extreme enzymatic promiscuity toward both a variety of prenyl donors and a large diversity of acceptors. In this study, we discovered a new aPTase, AtaPT, from Aspergillus terreus that exhibits unprecedented promiscuity toward diverse aromatic acceptors and prenyl donors and also yields products with a range of prenylation patterns. Systematic crystallographic studies revealed various discrete conformations for ligand binding with donor-dependent acceptor specificity and multiple binding sites within a spacious hydrophobic substrate-binding pocket. Further structure-guided mutagenesis of active sites at the substrate-binding pocket is responsible for altering the specificity and promiscuity toward substrates and the diversity of product prenylations. Our study reveals the molecular mechanism underlying the promiscuity of AtaPT and suggests an efficient protein engineering strategy to generate new prenylated derivatives in drug discovery applications.