基于肌紅蛋白的氧激活蛋白的理性設(shè)計(jì)

于 洋

(北京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 生化工程系 合成生物系統(tǒng)研究所，北京 100081)

金屬蛋白是以含有金屬離子或者金屬配位化合物作為輔因子的蛋白質(zhì)。在蛋白質(zhì)組中，有超過(guò)1/3的蛋白質(zhì)屬于金屬蛋白[1]。金屬蛋白催化了生命活動(dòng)中的很多重要反應(yīng)，包括水氧化、氧氣還原、固氮、CO2固定等。這些金屬酶的催化效率、選擇性等往往超過(guò)了小分子催化劑，同時(shí)具有酶催化固有的反應(yīng)條件溫和、選擇性高的特點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，金屬酶，如P450單加氧酶、漆酶、裂解性多糖單加氧酶等，也廣泛應(yīng)用在工業(yè)生物催化的領(lǐng)域[2-3]。

很多復(fù)雜的金屬酶，如光系統(tǒng)Ⅱ、細(xì)胞色素c氧化酶和固氮酶等分子量很大，大部分酶還是膜蛋白，這為酶蛋白的制備和應(yīng)用帶來(lái)了困難[1]。同時(shí)，由于這些復(fù)雜金屬酶中含有多個(gè)金屬中心，不同金屬中心的光譜(紫外-可見光、電子順磁共振和Mossbauer等)重疊，使得活性中心之外的金屬中心往往會(huì)干擾針對(duì)活性中心的機(jī)制研究[4]。

為了克服天然金屬酶研究中存在的難于純化、產(chǎn)量低的問(wèn)題，化學(xué)家通過(guò)合成小分子模型化合物，模擬蛋白尤其是金屬蛋白的活性中心進(jìn)行研究，解析酶催化中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。然而，研究者越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)并非簡(jiǎn)單作為金屬輔酶的容器和配體的提供者，而是通過(guò)對(duì)金屬中心的氫鍵等非共價(jià)相互作用，對(duì)金屬輔酶進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，以使其催化性質(zhì)與功能匹配[1]。構(gòu)建模型化合物無(wú)法完全重現(xiàn)金屬中心在蛋白質(zhì)中的配位環(huán)境。

為了將模型化合物易于研究和蛋白質(zhì)對(duì)活性中心精細(xì)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，研究者們發(fā)展了理性設(shè)計(jì)構(gòu)建人工酶的研究方法。通過(guò)使用分子量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于表達(dá)的骨架蛋白，模擬天然金屬酶的功能，可以大大簡(jiǎn)化分離純化的工作量，更重要的是排除天然蛋白中多個(gè)輔酶、蛋白亞基的干擾。而蛋白質(zhì)骨架又方便地提供了通過(guò)氨基酸殘基精細(xì)調(diào)控蛋白功能的手段。與小分子化合物相對(duì)應(yīng)，這種在小蛋白骨架中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜天然酶的結(jié)構(gòu)、光譜或者功能特性而得到的突變體，通常稱為模型蛋白或者模型人工酶。

金屬酶參與的一大類反應(yīng)涉及氧(O2或者H2O2)的激活[1]。其中，含血紅素的蛋白催化了多樣的反應(yīng)(圖1)。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，血紅素分子能以相對(duì)一致的配位環(huán)境，高效、高選擇性地結(jié)合O2或者H2O2，通過(guò)相似的中間體，實(shí)現(xiàn)對(duì)底物1，2或者4電子的氧化，從而催化不同反應(yīng)。以相似的血紅素輔因子實(shí)現(xiàn)多樣的反應(yīng)，說(shuō)明了蛋白質(zhì)對(duì)血紅素的性質(zhì)有精細(xì)的調(diào)控；而反應(yīng)中間體和途徑的相似性，為不同血紅素蛋白之間的相互轉(zhuǎn)換提供了可能。

圖1 不同血紅素酶通過(guò)相似的途徑活化O2，催化不同的反應(yīng)Fig.1 Heme enzymes activate oxygen through similar routes,and catalyze diverse reactions

1 以肌紅蛋白為骨架蛋白的氧激活蛋白的理性設(shè)計(jì)

研究者是否可以基于對(duì)天然金屬酶的知識(shí)，在最簡(jiǎn)單的血紅素蛋白中，通過(guò)理性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其他種類血紅素蛋白的催化活性?

在眾多含血紅素的蛋白質(zhì)中，肌紅蛋白(myoglobin,Mb)是較簡(jiǎn)單的一個(gè)，它的分子量約1.7×104，其結(jié)構(gòu)中含1個(gè)血紅素分子，是人類最早解析結(jié)構(gòu)的蛋白[5]。而且，它是1個(gè)結(jié)合O2的蛋白，功能簡(jiǎn)單，研究也非常透徹?；谶@些優(yōu)勢(shì)，肌紅蛋白是模擬其他血紅素酶的最佳起點(diǎn)(圖2)[6]。

圖2 肌紅蛋白作為骨架蛋白，模擬多種血紅素蛋白的結(jié)構(gòu)功能Fig.2 Many heme enzymes′ function can be realizedin artificial enzymes using myoglobinas scaffold protein

野生型肌紅蛋白具有一定的過(guò)氧化物酶(peroxidase)的活性[7]，但是其活性遠(yuǎn)低于天然的過(guò)氧化物酶。在天然的過(guò)氧化物酶中，血紅素遠(yuǎn)端口袋中組氨酸的Nε與Fe的距離是0.55～0.60 nm，而在肌紅蛋白中，第64位的組氨酸Nε與Fe的距離僅為0.44 nm。Matsui等[8]通過(guò)點(diǎn)突變的方法，系統(tǒng)改變了肌紅蛋白中的這一距離。其中，F(xiàn)43H/H64L Mb突變體比野生型的活性提高了11倍，而L29H/H64L的過(guò)氧化物酶活性反而降低。Guo等[9]和Dong等[10]在肌紅蛋白的遠(yuǎn)端口袋中保留了原來(lái)的64H，引入了另1個(gè)組氨酸——L29H，得到的突變體過(guò)氧化物酶活性提高了3.7倍，而引入第3個(gè)組氨酸F43H不會(huì)進(jìn)一步提高酶活。另一方面，如果移除64H，構(gòu)建出底物通往血紅素中心的分子通道，同時(shí)構(gòu)建出29H和43H，則L29H/F43H/H64A Mb突變體能表現(xiàn)出類似天然過(guò)氧化物酶的催化活性[11]。這些研究說(shuō)明組氨酸在過(guò)氧化物酶催化中有重要作用，它在空間上的正確定位可以促進(jìn)O—O鍵的異裂，提高過(guò)氧化物酶活性。

與過(guò)氧化物酶相比，過(guò)加氧酶(peroxygenase)和P450單加氧酶(P450 monooxygenase)活化H2O2形成的活性物種CompoundⅠ可以直接與底物反應(yīng)，催化底物的加氧反應(yīng)，這類反應(yīng)常見于天然產(chǎn)物、藥物分子的合成中[2]。過(guò)加氧酶可以催化底物的直接加氧反應(yīng)，與P450單加氧酶相比，它可以直接接受過(guò)氧化氫，而不需要還原劑或者還原蛋白的作用，因而更加受到工業(yè)催化領(lǐng)域研究者的青睞。野生型肌紅蛋白缺乏過(guò)加氧酶或P450單加氧酶的反應(yīng)活性。Ohashi等[12]和Garner等[13]通過(guò)將肌紅蛋白中的血紅素替換為席夫堿(salen、salophen)-金屬配合物，令其有效催化不對(duì)稱環(huán)氧化及磺化氧化等反應(yīng)，構(gòu)建了人工酶。

在單加氧酶中，血紅素的遠(yuǎn)端口袋中有1對(duì)常見的帶負(fù)電氨基酸和含羥基氨基酸，通過(guò)氫鍵與結(jié)合的O2作用，將電子“拉”離O2分子，促進(jìn)O—O鍵的異裂[14-15]。O—O鍵的異裂產(chǎn)生的CompoundⅠ(FeIV=O radical物種)是一種強(qiáng)氧化劑，可以直接氧化底物。Yang等[16]通過(guò)在肌紅蛋白中引入V68D突變模擬P450單加氧酶中的帶負(fù)電氨基酸，使突變體催化磺化氧化反應(yīng)的速率提高了1 600倍。在此基礎(chǔ)上，Pfister等[17]構(gòu)建了肌紅蛋白F43W/H64D/V68I Mb突變體，通過(guò)F43W突變將底物吲哚環(huán)作為氨基酸側(cè)鏈固定在活性中心附近，以H2O2為氧化劑，直接觀察到了F43W側(cè)鏈的羥基化。這一人工酶的構(gòu)建，也說(shuō)明了負(fù)電氨基酸(64D)對(duì)于單加氧酶活性的重要調(diào)控作用。

氧化酶位于細(xì)胞呼吸鏈的末端，催化了O2還原為H2O的反應(yīng)，其催化過(guò)程涉及O2的激活、O—O鍵的異裂、氧的完全還原等步驟(圖1)。氧化酶，如細(xì)胞色素c氧化酶(CcO)等催化了細(xì)胞內(nèi)90%以上O2的還原，催化速率可以達(dá)到50～1 000 s-1[18-19]。它們?cè)诟咝Х磻?yīng)的同時(shí)維持了反應(yīng)的選擇性，幾乎不產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的活性氧中間體(reactive oxygen species，ROS)。CcO作為1個(gè)分子量超過(guò)4.00×105的蛋白復(fù)合體，其O2的還原發(fā)生在由血紅素和銅離子(CuB)組成的雙核中心(圖3)。CcO的活性中心具有保守的結(jié)構(gòu)特征，包括由近端組氨酸配位的血紅素分子，遠(yuǎn)端口袋中3個(gè)組氨酸配位的CuB銅離子，指向血紅素的酪氨酸以及酪氨酸和與CuB配位的1個(gè)組氨酸形成的共價(jià)交聯(lián)。

(a)細(xì)胞色素c氧化酶的活性中心(PDB ID:1OCC)灰色圓球?yàn)殂~離子；(b)F33Y-CuBMb(PDB ID:4FWX)和F33imiTyr-CuBMb(淺灰色，計(jì)算模擬結(jié)構(gòu))的比較圖3 天然和人工設(shè)計(jì)的氧化酶的活性中心結(jié)構(gòu)[20]Fig.3 Active site structures of naturaland artificial oxidases[20]

以上從天然蛋白質(zhì)生化研究和晶體結(jié)構(gòu)中得到的活性中心結(jié)構(gòu)特征指導(dǎo)了將肌紅蛋白理性設(shè)計(jì)為具有活性的氧化酶的研究。Sigman等[21]首先在肌紅蛋白中引入了L29H/F43H的突變，新引入的2個(gè)組氨酸加上原有的H64，形成了3個(gè)組氨酸的結(jié)構(gòu)特征，紫外-可見光譜與晶體結(jié)構(gòu)均證明這一突變體——CuBMb可以結(jié)合銅離子，形成CuB中心。進(jìn)一步在CuBMb中引入酪氨酸(F33Y或G65Y，圖3(b))使肌紅蛋白可以催化O2還原的反應(yīng)，成功將肌紅蛋白這一儲(chǔ)存O2的蛋白轉(zhuǎn)化為人工氧化酶[22]。

然而，CcO中的酪氨酸-組氨酸之間的共價(jià)交聯(lián)是在天然蛋白中自發(fā)產(chǎn)生的，無(wú)法在肌紅蛋白中通過(guò)常規(guī)的點(diǎn)突變得到。為了在肌紅蛋白中模擬這一結(jié)構(gòu)特征，Liu等[20]通過(guò)基因密碼子擴(kuò)展的技術(shù)，將1個(gè)模擬酪氨酸-組氨酸共價(jià)交聯(lián)的非天然氨基酸imiTyr引入肌紅蛋白中(圖3(b))。所得到的imiTyr-CuBMb人工酶不僅展示了O2還原的活性，而且反應(yīng)只產(chǎn)生了4%的副產(chǎn)物H2O2，其反應(yīng)速率和選擇性與F33Y-CuBMb相比都有了很大的提高。通過(guò)對(duì)CcO活性中心結(jié)構(gòu)特征的模擬，研究者在肌紅蛋白中實(shí)現(xiàn)了氧化酶的活性。人工氧化酶的成功設(shè)計(jì)也驗(yàn)證了3個(gè)組氨酸配位的CuB中心，酪氨酸、酪氨酸和組氨酸共價(jià)交聯(lián)對(duì)于氧化酶酶活的作用。

氧化酶模型蛋白也為研究氧化酶的反應(yīng)機(jī)制等提供了一個(gè)有力工具。活性中心的酪氨酸作為天然氧化酶中的保守氨基酸，一直被認(rèn)為在反應(yīng)中提供了質(zhì)子和電子，可能形成1個(gè)自由基中間體。通過(guò)在人工氧化酶F33Y-CuBMb的第33位引入一系列有不同氧化還原電勢(shì)、pKa的非天然氨基酸，Yu等[23-24]在不對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)的前提下，精細(xì)調(diào)整第33位酪氨酸的氧化還原電勢(shì)、pKa等性質(zhì)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)突變體的氧化酶活性與酪氨酸的pKa和氧化還原電勢(shì)呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明酪氨酸對(duì)于酶活有重要影響，也間接支持了酪氨酸參與反應(yīng)的假說(shuō)。Yu等[23,25]通過(guò)冷凍終止反應(yīng)捕捉了F33Y-CuBMb與O2和H2O2反應(yīng)的中間體，在電子順磁共振波譜中發(fā)現(xiàn)了酪氨酸自由基的存在，并通過(guò)將酪氨酸33Y替換為具有不同電子順磁共振信號(hào)的非天然氨基酸，證明了這一自由基位于活性中心的第33位酪氨酸上。這些研究直接證明了活性中心的酪氨酸參與了氧化酶的催化反應(yīng)，為揭示氧化酶的反應(yīng)機(jī)制提供了新的證據(jù)。

基于肌紅蛋白的氧化酶模型，蛋白的酶活僅為天然蛋白的1/400或者更低，這種差異很難通過(guò)反應(yīng)活性中心的改造彌補(bǔ)。CcO活性中心之外的結(jié)構(gòu)揭示了天然蛋白有1個(gè)高效的電子傳遞通路，將電子從底物傳遞到活性中心。類似的，Yu等[26]通過(guò)引入還原蛋白，為肌紅蛋白高效提供電子，可以提高模型蛋白的電子傳遞效率，從而將人工氧化酶的酶活提高400倍(50 s-1)，達(dá)到了天然酶的活性水平。Mukherjee等[27]進(jìn)一步將肌紅蛋白突變體偶聯(lián)到電極表面，實(shí)現(xiàn)電子的高效傳遞，將氧化酶的酶活大大提高到5 000 s-1，其電化學(xué)表現(xiàn)超過(guò)了小分子化合物[27]。這些研究也揭示了雖然通過(guò)模擬活性中心可以得到人工金屬酶，但是提高人工金屬酶的酶活還需要考慮電子傳遞等其他因素。

2 其他血紅素酶的改造方法及應(yīng)用

金屬蛋白的設(shè)計(jì)改造可以通過(guò)定向進(jìn)化、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、非天然氨基酸引入等多種策略實(shí)現(xiàn)。其中，Arnold課題組的Brandenberg等[28]通過(guò)定向進(jìn)化，將P450單加氧酶、細(xì)胞色素c等血紅素蛋白改造為催化卡賓、氮賓轉(zhuǎn)移的人工酶，實(shí)現(xiàn)了環(huán)丙烷合成、C—Si、C—C鍵形成等多個(gè)自然界不存在的反應(yīng)。Sun等[29]發(fā)展了組合活性中心飽和突變策略(combinatorial active-site saturation test,CAST)用于定向進(jìn)化，成功改變了多種工業(yè)酶的立體選擇性。Liu等[30]通過(guò)在熒光蛋白中引入非天然氨基酸，并在蛋白上定點(diǎn)標(biāo)記Ni配合物，實(shí)現(xiàn)了光催化的CO2還原。Das等[31]開發(fā)了Rosetta套件作為蛋白質(zhì)理性設(shè)計(jì)的有力工具。

血紅素酶作為一大類重要的金屬酶，在激活O2中經(jīng)歷了一系列共同的中間體，而不同的血紅素酶功能的區(qū)別往往在于在血紅素-氧中間體結(jié)構(gòu)中氫鍵、疏水相互作用、質(zhì)子/電子供體的可及性等對(duì)于Fe—O配位環(huán)境的精細(xì)調(diào)控不同。與前述的金屬蛋白中通過(guò)定向進(jìn)化或者計(jì)算設(shè)計(jì)的思路不同，血紅素酶的設(shè)計(jì)往往依賴通過(guò)對(duì)于天然酶的結(jié)構(gòu)研究，提取天然血紅素酶活性中心的保守結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)結(jié)構(gòu)特征模擬的策略，在簡(jiǎn)單的骨架蛋白中模擬多種激活氧的金屬蛋白的功能。通過(guò)類似的理性設(shè)計(jì)策略，肌紅蛋白還可以模擬一氧化氮還原酶(NOR)[32-33]、羥胺還原酶[34]、亞硝酸鹽還原酶等氮氧化物轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的功能。

血紅素酶的設(shè)計(jì)也可以結(jié)合其他方法。例如，Mirts等[35]最近在Rosetta的輔助下在細(xì)胞色素c過(guò)氧化物酶的血紅素結(jié)合口袋中設(shè)計(jì)了鐵硫簇的結(jié)合位點(diǎn)，模擬了天然的亞硫酸鹽還原酶，并通過(guò)進(jìn)一步改造將模擬酶的活性提高到了天然酶的同一量級(jí)。Liu等[20]在肌紅蛋白中引入非天然氨基酸模擬天然的酪氨酸-組氨酸共價(jià)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了氧化酶的功能。

在實(shí)現(xiàn)對(duì)天然酶活性、功能的模擬后，模擬酶反過(guò)來(lái)可以為天然酶的研究提供新的切入點(diǎn)。由于可以在同一個(gè)骨架蛋白中模擬不同的酶，研究者在同一個(gè)蛋白中比較不同的酶活性和反應(yīng)機(jī)制。通過(guò)比較基于肌紅蛋白的CcO和NOR的模型蛋白，Bhagi-Damodaran等[36-37]發(fā)現(xiàn)活性中心的第2個(gè)金屬離子對(duì)于O—O鍵斷裂或N—N鍵形成的不同傾向性，而金屬離子對(duì)血紅素中心氧化還原電勢(shì)的調(diào)控在其中起了重要作用，從而闡述了2個(gè)非常相似的金屬蛋白不同反應(yīng)性的原理。Wu等[38]通過(guò)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)肌紅蛋白中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)于其亞硝酸鹽還原酶活性非常重要，而同樣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)也可能促進(jìn)過(guò)氧化物酶的活性。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，通過(guò)理性設(shè)計(jì)、引入非天然氨基酸等方法，將天然金屬蛋白的結(jié)構(gòu)特征引入肌紅蛋白等小分子量、易研究的骨架蛋白中，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白結(jié)構(gòu)、功能的模擬，可以得到模型蛋白。基于模型蛋白可以進(jìn)一步對(duì)天然蛋白的反應(yīng)機(jī)制等進(jìn)行研究，得到新的知識(shí)，最終形成了設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)的閉環(huán)。對(duì)于氧激活蛋白的模擬和理性設(shè)計(jì)，不僅推動(dòng)了對(duì)于O2激活反應(yīng)的機(jī)制研究，也產(chǎn)生了一些活性較高，甚至超過(guò)天然金屬酶活性的人工酶。這些人工酶有望應(yīng)用于天然產(chǎn)物的選擇性氧化、燃料電池的酶電極構(gòu)建以及催化新反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)新分子的合成。