導(dǎo)語
作為鐵氧化還原酶的典型代表，對羥基苯基丙酮酸雙氧化酶（4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，HPPD）是生物體內(nèi)酪氨酸代謝途徑中的一種關(guān)鍵酶，廣泛存在于需氧生物中，也是開發(fā)藥物和農(nóng)藥的重要靶標(biāo)。HPPD催化底物的脫羧反應(yīng)和羥基化反應(yīng)——這些反應(yīng)是廣泛用于醫(yī)藥或化工原料合成的反應(yīng)類型。酶的定向進(jìn)化在合成生物學(xué)、藥物化學(xué)和環(huán)境工程等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景，加州理工學(xué)院弗朗西斯·阿諾德教授因在酶的定向進(jìn)化研究領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)榮獲2018年諾貝爾化學(xué)獎。近年來，基于酶結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)已逐漸發(fā)展成為定向進(jìn)化的主流手段，但如何基于酶的催化機(jī)理實(shí)現(xiàn)新的催化功能仍然是該領(lǐng)域的一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的研究課題。近日，華中師范大學(xué)楊光富教授和楊文超教授研究團(tuán)隊(duì)以HPPD為研究體系，發(fā)展了一種集成量子力學(xué)/分子力學(xué)（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）、分子動力學(xué)（molecular dynamic，MD）模擬以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等多學(xué)科手段的研究策略，在深入揭示了HPPD詳細(xì)催化機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控HPPD催化路徑的關(guān)鍵通路，成功實(shí)現(xiàn)了具有新催化功能的HPPD突變體的理性設(shè)計(jì)（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687）。
楊光富教授簡介 華中師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、校學(xué)術(shù)委員會副主任、智能生物傳感技術(shù)與健康國際聯(lián)合研究中心主任、農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。1992年畢業(yè)于華中師范大學(xué)化學(xué)系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；1997年畢業(yè)于南開大學(xué)，獲理學(xué)博士學(xué)位。2004～2005年赴美國University of Kentucky藥學(xué)院做高級訪問學(xué)者。2012年赴加拿大McMaster University化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系做高級訪問學(xué)者。 長期從事綠色農(nóng)藥創(chuàng)制基礎(chǔ)研究，在農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)理論研究方面取得系統(tǒng)性成果，建立了基于活性小分子與作用靶標(biāo)相互作用研究的農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究體系，發(fā)展了藥效團(tuán)鏈接碎片虛擬篩選、計(jì)算突變掃描等分子設(shè)計(jì)新方法，成功創(chuàng)制出全球第一個(gè)高粱田選擇性除草劑喹草酮和吡唑喹草酯、氟苯醚酰胺、苯醚唑酰胺等多個(gè)候選農(nóng)藥新品種。先后在PNAS、NC、JACS、Angew等國際權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文260多篇，被SCI他引7000多次，獲中國發(fā)明專利授權(quán)47項(xiàng)及歐美發(fā)達(dá)國家授權(quán)專利9項(xiàng)。獲教育部自然科學(xué)一等獎、湖北省自然科學(xué)一等獎及中國農(nóng)藥工業(yè)協(xié)會技術(shù)創(chuàng)新一等獎各1項(xiàng)，并獲侯德榜化工科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎和藥明康德生命化學(xué)研究獎。2013年入選國家中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2016年入選萬人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2020年入選Elsevier“中國高被引學(xué)者”榜單。先后被授予全國模范教師、全國優(yōu)秀科技工作者等榮譽(yù)稱號。指導(dǎo)博士學(xué)位論文獲全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎1項(xiàng)和提名獎2項(xiàng)。 主要學(xué)術(shù)兼職：教育部科學(xué)技術(shù)委員會第五、六屆化學(xué)化工學(xué)部委員、國家自然科學(xué)基金委員會第十三屆化學(xué)學(xué)科評審組成員、中國化學(xué)會農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會副主任委員、中國化學(xué)會化學(xué)生物學(xué)專業(yè)委員會委員、中國化工學(xué)會農(nóng)藥專業(yè)委員會委員、湖北省化學(xué)化工學(xué)會副理事長、湖北省植物保護(hù)學(xué)會副理事長、《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)》和《現(xiàn)代農(nóng)藥》副主編、《農(nóng)藥》、《有機(jī)化學(xué)》、Chinese Chemical Letters、Letters in Drug Design & Discovery、Journal of Agricultural and Food Chemistry等期刊編委。
楊文超教授簡介 華中師范大學(xué)教授、博導(dǎo)。2013年入選香江學(xué)者計(jì)劃，2019年獲聘華中師范大學(xué)桂子青年學(xué)者，2021年獲第十四屆中國農(nóng)藥創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎一等獎。長期從事農(nóng)藥的化學(xué)生物學(xué)以及綠色農(nóng)藥創(chuàng)制研究，在酶的催化機(jī)制研究、酶與抑制劑的相互作用以及靶向酶的生物傳感方面取得系統(tǒng)的研究成果。近年來已承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金4項(xiàng)、湖北省杰出青年基金和湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研項(xiàng)目的研究工作。先后在JACS、ACS Nano、JAFC和Anal. Chem.等國際最有影響的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表相關(guān)研究論文60余篇，獲中國和國際發(fā)明專利授權(quán)8項(xiàng)。學(xué)術(shù)兼職方面：中國化學(xué)會會員、香港學(xué)者協(xié)會會員、美國藥學(xué)會會員，Journal of Analysis and Testing 青年編委, Review editor of Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，Review editor of Biosensors。
前沿科研成果 量子力學(xué)/分子力學(xué)、分子動力學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)協(xié)同實(shí)現(xiàn)酶的合理設(shè)計(jì) α-酮戊二酸亞鐵依賴性加氧酶是一類參與多種氧化還原反應(yīng)的重要酶，催化底物的脫羧和羥基化反應(yīng)，是合成醫(yī)藥和化工中間體的重要工具。HPPD是該類酶家族的一個(gè)典型代表，是醫(yī)藥和農(nóng)藥開發(fā)的重要靶標(biāo)，也是生物合成的潛在工具。華中師范大學(xué)楊光富教授和楊文超教授研究團(tuán)隊(duì)在HPPD的化學(xué)生物學(xué)研究方面開展了系統(tǒng)性研究，解析了第一個(gè)包含天然底物的HPPD復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，闡明了HPPD與抑制劑分子之間的作用機(jī)制（The FEBS J. 2019, 286, 975-990），提出了靶向關(guān)鍵殘基構(gòu)象變化的HPPD抑制劑設(shè)計(jì)策略（Research 2019, DOI: 10.34133/2019/2602414），首次設(shè)計(jì)出喹唑啉二酮類HPPD抑制劑，以此為先導(dǎo)成功開發(fā)出全球第一個(gè)高粱地專用選擇性除草劑喹草酮，2020年取得農(nóng)藥正式登記并上市。在前期工作基礎(chǔ)上，作者首先利用分子對接/分子動力學(xué)方法找到了底物4-羥基苯基苯丙酮酸（4-hydroxyphenylpyruvate，HPPA）在催化口袋中的最穩(wěn)定構(gòu)象?；谏鲜鰳?gòu)象，采用QM/MM方法首次揭示了HPPD催化底物HPPA生成關(guān)鍵中間體4-羥基苯乙酸（hydroxyphenylacetate，HPA）的催化反應(yīng)機(jī)理，模擬得到了包含關(guān)鍵中間體的HPPD–Fe(IV)═O–HPA復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1）。 圖1. QM/MM模擬的HPPD催化HPPA生成關(guān)鍵中間體HPA的能量曲線 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 隨后，基于該HPPD–Fe(IV)═O–HPA復(fù)合物結(jié)構(gòu)，利用分子動力學(xué)方法闡明了中間體HPA需要通過一條富含酰胺類氨基酸殘基的傳遞通道（Gln307, Gln293, Asn282和Ser267）向產(chǎn)物尿黑酸轉(zhuǎn)化，并據(jù)此提出了靶向該調(diào)控通道的反應(yīng)路徑調(diào)控策略。最后，結(jié)合定點(diǎn)突變和結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)確證了HPPD–Fe(IV)═O–HPA復(fù)合物的構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)了HPPD新的催化功能——催化HPPA完全生成HPA（圖2）。 圖2. HPPD的催化路徑示意圖 （來源：J. Am. Chem. Soc.） 總結(jié)： 作者報(bào)道了一種基于QM/MM計(jì)算和分子動力學(xué)模擬的組合策略，用于指導(dǎo)基于催化反應(yīng)機(jī)理的酶的定向進(jìn)化。該研究不僅加深了對HPPD催化反應(yīng)途徑的理解，并且獲得了一系列新的HPPD突變體。該突變體可以成功催化底物HPPA完全生物新產(chǎn)物HPA，而不生成正常產(chǎn)物HGA。所預(yù)測的HPPD–Fe(IV)═O–HPA中間體的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被擬南芥HPPD/S267W與HPA復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)所證實(shí)。該研究不僅為α-酮戊二酸亞鐵依賴性加氧酶的結(jié)構(gòu)改造提供了普適性的平臺，也為基于催化機(jī)理的酶的定向進(jìn)化提供了重要的參考和借鑒。該工作以“Rational Redesign of Enzyme via the Combination of Quantum Mechanics/Molecular Mechanics, Molecular Dynamic and Structural Biology Study”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687（DOI: 10.1021/jacs.1c06227）上，華中師范大學(xué)林紅艷博士、中南民族大學(xué)陳喜博士及華中師范大學(xué)博士研究生董進(jìn)為本文的共同第一作者，華中師范大學(xué)楊文超教授和楊光富教授為共同通訊作者（論文作者：Hong-Yan Lin, Xi Chen, Jin Dong, Jing-Fang Yang, Han Xiao, Ying Ye, Lin-Hui Li, Chang-Guo Zhan, Wen-Chao Yang,* and Guang-Fu Yang*）。
