【人物与科研】华中师范大学杨光富教授和杨文超教授研究团队JACS：量子力学/分子力学、分子动力学和结构生物学协同实现酶的合理设计

导语

作为铁氧化还原酶的典型代表，对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，HPPD）是生物体内酪氨酸代谢途径中的一种关键酶，广泛存在于需氧生物中，也是开发药物和农药的重要靶标。HPPD催化底物的脱羧反应和羟基化反应——这些反应是广泛用于医药或化工原料合成的反应类型。酶的定向进化在合成生物学、药物化学和环境工程等领域都具有广阔的应用价值和发展前景，加州理工学院弗朗西斯·阿诺德教授因在酶的定向进化研究领域的突出贡献荣获2018年诺贝尔化学奖。近年来，基于酶结构的理性设计已逐渐发展成为定向进化的主流手段，但如何基于酶的催化机理实现新的催化功能仍然是该领域的一项极富挑战性的研究课题。近日，华中师范大学杨光富教授和杨文超教授研究团队以HPPD为研究体系，发展了一种集成量子力学/分子力学（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）、分子动力学（molecular dynamic，MD）模拟以及结构生物学等多学科手段的研究策略，在深入揭示了HPPD详细催化机制的基础上，发现了调控HPPD催化路径的关键通路，成功实现了具有新催化功能的HPPD突变体的理性设计（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687）。

杨光富教授简介

华中师范大学教授、博士生导师、校学术委员会副主任、智能生物传感技术与健康国际联合研究中心主任、农药与化学生物学教育部重点实验室主任。1992年毕业于华中师范大学化学系，获理学学士学位；1997年毕业于南开大学，获理学博士学位。2004～2005年赴美国University of Kentucky药学院做高级访问学者。2012年赴加拿大McMaster University化学与化学生物学系做高级访问学者。

长期从事绿色农药创制基础研究，在农药分子设计理论研究方面取得系统性成果，建立了基于活性小分子与作用靶标相互作用研究的农药分子设计创新研究体系，发展了药效团链接碎片虚拟筛选、计算突变扫描等分子设计新方法，成功创制出全球第一个高粱田选择性除草剂喹草酮和吡唑喹草酯、氟苯醚酰胺、苯醚唑酰胺等多个候选农药新品种。先后在PNAS、NC、JACS、Angew等国际权威期刊发表SCI论文260多篇，被SCI他引7000多次，获中国发明专利授权47项及欧美发达国家授权专利9项。获教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖及中国农药工业协会技术创新一等奖各1项，并获侯德榜化工科学技术创新奖和药明康德生命化学研究奖。2013年入选国家中青年科技创新领军人才，2016年入选万人计划科技创新领军人才，2020年入选Elsevier“中国高被引学者”榜单。先后被授予全国模范教师、全国优秀科技工作者等荣誉称号。指导博士学位论文获全国百篇优秀博士学位论文奖1项和提名奖2项。

主要学术兼职：教育部科学技术委员会第五、六届化学化工学部委员、国家自然科学基金委员会第十三届化学学科评审组成员、中国化学会农业化学专业委员会副主任委员、中国化学会化学生物学专业委员会委员、中国化工学会农药专业委员会委员、湖北省化学化工学会副理事长、湖北省植物保护学会副理事长、《农药学学报》和《现代农药》副主编、《农药》、《有机化学》、Chinese Chemical Letters、Letters in Drug Design & Discovery、Journal of Agricultural and Food Chemistry等期刊编委。

杨文超教授简介

华中师范大学教授、博导。2013年入选香江学者计划，2019年获聘华中师范大学桂子青年学者，2021年获第十四届中国农药创新贡献奖一等奖。长期从事农药的化学生物学以及绿色农药创制研究，在酶的催化机制研究、酶与抑制剂的相互作用以及靶向酶的生物传感方面取得系统的研究成果。近年来已承担了国家自然科学基金4项、湖北省杰出青年基金和湖北省重点研发计划等科研项目的研究工作。先后在JACS、ACS Nano、JAFC和Anal. Chem.等国际最有影响的学术期刊上发表相关研究论文60余篇，获中国和国际发明专利授权8项。学术兼职方面：中国化学会会员、香港学者协会会员、美国药学会会员，Journal of Analysis and Testing 青年编委, Review editor of Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，Review editor of Biosensors。

前沿科研成果

量子力学/分子力学、分子动力学和结构生物学协同实现酶的合理设计

α-酮戊二酸亚铁依赖性加氧酶是一类参与多种氧化还原反应的重要酶，催化底物的脱羧和羟基化反应，是合成医药和化工中间体的重要工具。HPPD是该类酶家族的一个典型代表，是医药和农药开发的重要靶标，也是生物合成的潜在工具。华中师范大学杨光富教授和杨文超教授研究团队在HPPD的化学生物学研究方面开展了系统性研究，解析了第一个包含天然底物的HPPD复合物晶体结构，阐明了HPPD与抑制剂分子之间的作用机制（The FEBS J. 2019, 286, 975-990），提出了靶向关键残基构象变化的HPPD抑制剂设计策略（Research 2019, DOI: 10.34133/2019/2602414），首次设计出喹唑啉二酮类HPPD抑制剂，以此为先导成功开发出全球第一个高粱地专用选择性除草剂喹草酮，2020年取得农药正式登记并上市。在前期工作基础上，作者首先利用分子对接/分子动力学方法找到了底物4-羟基苯基苯丙酮酸（4-hydroxyphenylpyruvate，HPPA）在催化口袋中的最稳定构象。基于上述构象，采用QM/MM方法首次揭示了HPPD催化底物HPPA生成关键中间体4-羟基苯乙酸（hydroxyphenylacetate，HPA）的催化反应机理，模拟得到了包含关键中间体的HPPD–Fe(IV)═O–HPA复合物结构（图1）。

图1. QM/MM模拟的HPPD催化HPPA生成关键中间体HPA的能量曲线

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，基于该HPPD–Fe(IV)═O–HPA复合物结构，利用分子动力学方法阐明了中间体HPA需要通过一条富含酰胺类氨基酸残基的传递通道（Gln307, Gln293, Asn282和Ser267）向产物尿黑酸转化，并据此提出了靶向该调控通道的反应路径调控策略。最后，结合定点突变和结构生物学技术确证了HPPD–Fe(IV)═O–HPA复合物的构象，实现了HPPD新的催化功能——催化HPPA完全生成HPA（图2）。

图2. HPPD的催化路径示意图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：

作者报道了一种基于QM/MM计算和分子动力学模拟的组合策略，用于指导基于催化反应机理的酶的定向进化。该研究不仅加深了对HPPD催化反应途径的理解，并且获得了一系列新的HPPD突变体。该突变体可以成功催化底物HPPA完全生物新产物HPA，而不生成正常产物HGA。所预测的HPPD–Fe(IV)═O–HPA中间体的结构进一步被拟南芥HPPD/S267W与HPA复合物的晶体结构所证实。该研究不仅为α-酮戊二酸亚铁依赖性加氧酶的结构改造提供了普适性的平台，也为基于催化机理的酶的定向进化提供了重要的参考和借鉴。该工作以“Rational Redesign of Enzyme via the Combination of Quantum Mechanics/Molecular Mechanics, Molecular Dynamic and Structural Biology Study”为题发表在J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687（DOI: 10.1021/jacs.1c06227）上，华中师范大学林红艳博士、中南民族大学陈喜博士及华中师范大学博士研究生董进为本文的共同第一作者，华中师范大学杨文超教授和杨光富

作者报道了一种基于QM/MM计算和分子动力学模拟的组合策略，用于指导基于催化反应机理的酶的定向进化。该研究不仅加深了对HPPD催化反应途径的理解，并且获得了一系列新的HPPD突变体。该突变体可以成功催化底物HPPA完全生物新产物HPA，而不生成正常产物HGA。所预测的HPPD–Fe(IV)═O–HPA中间体的结构进一步被拟南芥HPPD/S267W与HPA复合物的晶体结构所证实。该研究不仅为α-酮戊二酸亚铁依赖性加氧酶的结构改造提供了普适性的平台，也为基于催化机理的酶的定向进化提供了重要的参考和借鉴。该工作以“Rational Redesign of Enzyme via the Combination of Quantum Mechanics/Molecular Mechanics, Molecular Dynamic and Structural Biology Study”为题发表在J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687（DOI: 10.1021/jacs.1c06227）上，华中师范大学林红艳博士、中南民族大学陈喜博士及华中师范大学博士研究生董进为本文的共同第一作者，华中师范大学杨文超教授和杨光富教授为共同通讯作者（论文作者：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*）。