研究揭示细胞色素P450氧化酶催化4-咪唑烷酮生物合成新机制

发布时间：2026-09-18来源：中国科学院南海海洋研究所

研究揭示细胞色素P450

氧化酶催化4-咪唑烷酮

生物合成新机制

近日，中国科学院南海海洋研究所和厦门大学合作在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）发表了题为 “A Cytochrome P450 Enzyme-Catalyzed Acetyl Migration in Cyanogramide Biosynthesis” 的研究论文，报道了海洋放线菌来源生物碱cyanogramide生物合成途径中P450氧化酶催化酰基迁移形成4-咪唑烷酮的新机制。

4-咪唑烷酮是一类广泛存在于天然产物及药物分子中的重要活性基团。海洋放线菌源生物碱cyanogramide (1) 具有独特的氧化吲哚螺环吡咯并[1,2-c]咪唑烷酮骨架，能有效逆转肿瘤细胞的耐药性。前期研究中，团队基于基因缺失和前体喂养等实验推导了cyanogramide的生物合成途径（图1），阐明了P450氧化酶CyaH催化形成氧化吲哚螺环的新机制（Angewandte Chemie International Edition，2020, 59, 14065），揭示了甲基转移酶CyaF催化吲哚N-甲基化及其底物宽泛性机制（Journal of Natural Products, 2025, 88, 715），并全面总结了氧化吲哚螺环生物碱发现、活性及生物合成进展（Natural Product Reports, 2026, 43, 650），但cyanogramide中关键药效基团4-咪唑烷酮的酶促形成机制仍不清楚。

图1 生物碱cyanogramide的生物合成途径

研究人员首先通过体内基因重组和体外酶学实验证明，P450氧化酶CyaI负责催化环化形成4-咪唑烷酮，同时能够催化底物的氧化脱甲基和脱乙酰基反应（图1）。通过¹³C同位素标记实验进一步证实，CyaI催化的环化过程涉及分子内C→N乙酰基迁移（图1）。结合CyaI与底物3复合物的晶体结构和点突变分析，研究人员阐释了对催化活性至关重要的疏水氨基酸残基，发现P450酶中高度保守的T245可调控CyaI的反应方向，促进酰基转移生成4-咪唑烷酮（图2A）。

图 2 细胞色素P450氧化酶催化C→N乙酰基迁移生成4-咪唑烷酮机制

基于底物与产物的结构特征及P450催化基团迁移的反应规律，研究人员提出了两条可能的酰基迁移路径：由Fe^III-OO-起始，经Baeyer-Villiger中间体（Route A）；由Fe^IV = O (Cpd I) 起始，经两性离子中间体的催化路径（Route B）。随后，通过合成Baeyer-Villiger中间体并进行体外酶学测试，结合化学计算排除了Route A的可能性。最后，通过元动力学（Metadynamics）模拟获得了具有反应活性的近端构象（图2B），该构象有利用生成两性离子中间体，随后依次发生1,2-C→C酰基迁移和1,3-C→N酰基迁移，最终经自发环化生成4-咪唑烷酮（图2C）。本研究不仅拓展了P450酶的催化谱系，也为开发新型生物催化剂奠定了基础。

该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

文章信息

Yiguang Zhu, Yongchao Wang, Liping Zhang, Chunyan Fang, Youhua Yong, Ruijie Chen, Jiahai Zhou, Qingbo Zhang, Binju Wang, Changsheng Zhang. A Cytochrome P450 Enzyme-Catalyzed Acetyl Migration in Cyanogramide Biosynthesis. Angewandte Chemie International Edition, 2026, e7360177.

文章链接

https://doi.org/10.1002/anie.7360177

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中国科学院南海海洋研究所

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