近日，杭州师范大学基础医学院郭瑞庭教授团队联合中国科学院天津工业生物技术研究所高书山研究员团队，采用单颗粒冷冻电镜技术在麦角生物碱生物合成关键酶EasC研究上取得新突破。该研究相关成果以“Chanoclavine synthase operates by an NADPH independent superoxide mechanism＂为题3月6日在国际顶级期刊《自然》（Nature）上在线发表。
郭瑞庭教授与高书山研究员为论文的共同通讯作者。杭州师范大学为论文的第一单位，中科院微生物所、湖北大学、荷兰代尔夫特理工大学、中国科学技术大学、中国海洋大学为论文合作单位。 这是学校首篇作为第一完成单位在Nature上发表的论文 ，实现了重大突破。
麦角生物碱类化合物最早于上世纪从真菌中分离得到，产生于多种曲霉和青霉，被誉为最重要的临床药用分子和天然毒素，被广泛用来治疗癌症、偏头疼、产后大出血和帕金森症，美国食品药品监督管理局（FDA）批准上市的相关药物有10余种。近年来，麦角生物碱类化合物的微生物合成体系构建与优化成为各国科学家研究的焦点。
研究表明，过氧化氢酶EasC是麦角生物碱生物合成关键酶。但由于麦角生物碱生物合成关键酶EasC的结构信息缺失，造成底物结合模式与酶催化机制长期以来处于黑箱之中，科学家们无法得知真正的催化机制，更无法进一步进行酶的改造。
郭瑞庭教授团队与高书山研究员团队合作，就这一悬而未决的科学问题开展了研究。郭瑞庭教授团队利用单颗粒冷冻电镜解析了麦角生物碱合成酶EasC与底物的单颗粒冷冻电镜结构，发现麦角生物碱底物结合区独立于血红素结合区之外，单独存在于另一个区域中，完全颠覆了以往已知类型由血红素和底物直接结合并催化的酶反应机制。研究团队结合生物化学、同位素化学以及波谱学实验，发现了一种全新的、不依赖辅酶-氧的非典型氧气激活途径。
在研究中，EasC将麦角生物碱底物提供的一个电子传递给血红素结合区中的Fe(III)、后者同时和氧气结合形成Fe(III)-O2- (该复合体名称为Cpd III)；Cpd III进一步分解成Fe(III)和超氧阴离子（O2•-）。该途径产生的超氧阴离子可以进一步通过超氧阴离子传递通道输送至麦角生物碱底物反应位点，催化一连串复杂的环化反应以生成麦角生物碱。
图1：超氧阴离子生成与麦角生物碱生物合成示意图
据研究团队介绍，在以往的研究中，不同模式的氧气激活途径及其生物合成参与机制鲜见报道。学术界广泛采用的典型氧气激活途径为酶结构中的有机分子或金属离子等辅酶与氧气结合，形成辅酶-氧激活复合体；辅酶-氧激活复合体进一步来催化底物的氧化/加氧等生物化学反应。本研究展示了一种全新的氧气激活途径，即将氧气转化为超氧阴离子的非典型机制；该氧气激活途径通过产生超氧阴离子，而非典型激活途径的辅酶-氧复合物，参与微生物药物的生物合成，拓展了关于氧气参与微生物合成代谢的机制和作用的研究，为深入理解微生物在不同环境条件下的代谢过程提供了新的视角和理论基础。同时，本研究也让过氧化氢酶的相关研究从H2O2依赖性酶转向O2依赖性酶，拓展了过氧化氢酶这一氧化酶的研究领域。
Nature杂志的三名审稿人都给予该研究高度评价。一名审稿人的评审意见中提到“the paper is highly exciting and deserves being published in Nature.＂（这篇文章非常令人激动并值得在Nature上发表）。另一名审稿人则提到“The results, particularly the cryoEM and superoxide assays, are compelling and well presented. Ithoroughly enjoyed reading this manuscript and think the story presented is interesting, creative, and well-supported.It is well-suited for publication in Nature and has the followingoutstanding features… ”（这些结果，特别是单颗粒冷冻电镜的结构和超氧阴离子的分析部份，是很有说服力的，我非常享受阅读这篇文章，并且认为这个研究是有趣、创新的，并且有实验支持的，这篇文章非常适合发表在Nature期刊上，并且有以下几个特别突出的重点…）。
从2024年8月投稿，到2025年1月即接收，论文的发表虽然惊喜但并不意外。据了解，郭瑞庭教授团队长期从事塑料降解酶、药物靶点蛋白、萜类合成酶、P450酶、生物质降解酶等的结构解析与机理探讨等研究，举例来说，2017年团队在国际上首次解析了PET塑料降解酶IsPETase的晶体结构，2020年发表了第一个自给自足P450酶的完整结构文章。
截至目前，这个对“酶”情有独钟的团队已在Nature, Nat. Rev. Chem., Immunity, Nat. Catal., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed. 等杂志发表180余篇高水平论文，并有30多篇获选为封面文章。“人类目前认识的酶，不过占自然界所有酶的很小一部分，大自然中还有各种各样的酶，我们既不认识它，也不清楚它的功能作用，这鼓励我们将继续在这个领域永不止歇地探索。”团队成员说。
“该研究成果不仅是基础医学院坚持有组织科研，打破界限、协同创新取得的成果，也为学校推进‘双一流’建设注入了强大动力，为地方经济社会发展提供了有力支撑。”学校科研处负责人李勇进教授表示，将不断加大支持力度，为科研人员坐住坐稳“冷板凳”、敢于善于“攀顶峰”做好服务，推动形成更多“能上书架”“摆上货架”的重大原始创新成果。
近年来，学校紧密围绕市委市政府《关于进一步支持杭州师范大学争创国家“双一流”建设高校的若干意见》，聚焦“顶天”“立地”，对标“六个一流”，统筹推进教育科技人才一体化发展。通过实施“登峰工程”，开展有组织科研，推进以教育学、分子手性与生物医药交叉学科为重点的学科群建设，推动不同学科间的深度交叉融合，为重大原始创新成果的产生提供土壤，并设立“交叉学科团队建设工程”专项资金，鼓励学科交叉融合与标志性成果产出。
来源：杭州师范大学
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