微生物所陈义华组与医科院药生所郭正彦组JACS：改造细胞色素P450酶选择性合成含不同类型吲哚骨架的环肽化合物

近期，中国科学院微生物研究所陈义华研究员与中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所郭正彦研究员合作，在Journal of the American Chemical Society 发表了研究论文。该研究发现了一类细胞色素P450酶——cpOPMOs，可以选择性地合成重要的药效基团2-吲哚酮或3a-羟基六氢吡咯[2,3-b]吲哚（简称HO-HPI）结构单元，揭示其催化机制，设计构建了10个cpOPMO的不同催化效率的突变体，并成功搭建高效合成含有HO-HPI或2-吲哚酮结构的环肽化合物催化平台（图1）。

图1. cpOPMOs选择性合成含有2-吲哚酮或HO-HPI结构的环肽化合物

广泛分布于不同生物体中的含有2-吲哚酮或HO-HPI结构的生物碱表现出多种多样的生物活性，如抗细菌、抗真菌、抗肿瘤以及抗病毒等。这些多样的结构和活性激发了研究人员对2-吲哚酮或HO-HPI结构形成酶的深入研究以及对高效生物催化剂的探索。目前，形成2-吲哚酮结构的酶主要包括黄素依赖的单加氧酶（FMO）、细胞色素P450单加氧酶以及特殊的双加氧酶，其中FMO的研究较为深入，基于晶体结构推测其可能通过环氧中间体形成2-吲哚酮结构。HO-HPI结构的形成主要依赖于FMO和P450酶，其中FMO的体外酶学已经被深入研究，但相关P450酶的体外研究尚未被报道。

本研究中，作者发现一类细胞色素P450酶AfnD及其同源蛋白HmtT、ClpD、KtzM和LtzR（统称为cpOPMOs），能够依赖pH值的调节将环肽中的色氨酸单元分别催化生成2-吲哚酮或HO-HPI结构（图2）。

图2. cpOPMOs的酶学研究

通过对这5个cpOPMOs的深入研究，推测两个保守的残基Asp和Ser（LtzR中为Thr）可能会以不同的方式打开环氧中间体，分别形成2-吲哚酮或HO-HPI结构（图3和图4）。

图3. HmtT催化机制的推测

图4. AfnD、ClpD、KtzM和LtzR关键残基的点突变研究

理解上述机制后，作者构建了10个cpOPMO的Asp或Ser/Thr突变体，它们可以选择性地合成具有HO-HPI或2-吲哚酮结构的环肽化合物，且所有10个cpOPMO突变体都表现出较高的底物不专一性，通常结构越接近于天然底物时，cpOPMO突变体活性越好（图5）。因此，这些cpOPMO突变体可以作为一套高效的酶学工具箱用于合成各种含HO-HPI或2-吲哚酮结构的环肽化合物库。

图5. cpOPMO突变体的底物不专一性测试

综上所述，这项研究不仅发现了一类特殊功能的细胞色素P450酶——cpOPMOs，更为选择性合成含有HO-HPI或2-吲哚酮结构的环肽提供了一套重要的酶学工具箱。

中国科学院微生物研究所博士研究生李超和中国科学院南海海洋研究所马俊英研究员为本文的并列第一作者，中国科学院微生物研究所陈义华研究员和中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所郭正彦研究员为文章共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Selective Synthesis of Cyclopeptides with a 2‑Oxindole or 3a-Hydroxy-hexahydropyrrolo-[2,3‑b]indole Structure by Cytochrome P450 Enzymes

Chao Li,^∇ Junying Ma,^∇ Lu Guo, Chao Xu, Zijian Zhong, Pengwei Li, Yue Tang, Wenzhao Wang, Defeng Li, Tao Ye, Zhengyan Guo,* and Yihua Chen*

J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 3304–3314, DOI: 10.1021/jacs.4c13535

研究团队负责人简介

陈义华，中国科学院微生物研究所研究员，微生物资源与生物技术研究室主任，中国微生物学会常务理事。先后获得国家自然科学基金委“优秀青年基金”、“杰出青年基金”项目支持。主要从事微生物天然产物药物生物合成机制和人体微生物活性代谢产物的研究，在解析与重构新颖代谢通路的基础上，通过定向挖掘和合成生物学等手段获取新结构的活性分子，促进药物研发。在Science、Nat Biotech、PNAS、JACS等学术刊物上发表研究论文90余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/208412 

郭正彦，中国医学科学院医药生物技术研究所研究员，微生物代谢工程室副主任。致力于运用生物信息学、分子遗传学、天然产物化学和生物化学等多学科交叉技术方法，开展基因组信息驱动抗耐药菌、抗病毒、抗真菌活性小分子的高效发现、生物合成机制的解析以及其合成生物学研究。拓展药物分子的来源，为新药物的可持续创制的提供保障。目前已经完成了链丝菌素、春雷霉素、庚糖杀菌素、潮霉素B、白黄菌素、霉紫红素等多种微生物天然产物（药物）的生物合成研究，在Nat. Biotech., J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，Acta Pharm. Sin B.，Nat. Prod. Rep.等学术期刊发表论文40多篇。