几类SAM自由基酶催化机理的理论研究

Radical SAM enzymes are ubiquitous in all kingdoms of life, and the members of SAM superfamily increase in an incredible rate, which catalyze many types of reactions and are involved in the synthesis of many cofactors and vitamins. The air sensitivity of iron-sulfur clusters in the active site results in the crystallization of the enzymes to be difficult and the obtained crystal structures are very limited. The catalytic reaction often involves many organic radical intermediates, and the study of the reaction mechanism can not be completed by experiments alone, and many catalytic mechanisms are still unclear. This project is aimed at exploring the reaction mechanisms of radical SAM enzymes based on the recently obtained crystal structures. Some reactions involving carbon methylation, sulfur insertion, skeleton rearrangements and repairing of DNA/RNA bases will be explored. Moreover, the catalytic cycles and the roles of key residues and the key factors to determine the stereo- and region-selectivity will be recognized. This project is not only helpful for understanding the biological function of SAM enzyme but also will form the basis for the design of new enzyme and drug.

SAM自由基酶是成员增加最快的超家族之一，在生物体中发挥重要的生物学功能,能催化多种类型的化学反应，由于其活性位点的铁硫簇[4Fe-4S]对空气十分敏感，获得的晶体结构十分有限。SAM自由基酶的催化过程涉及许多自由基中间体，给实验研究带来了较大困难，致使对其催化机理的认识还相当肤浅。本项目拟以几类SAM自由基酶的晶体结构为基础，对SAM自由基酶催化的甲基和硫甲基化反应、变位与重排反应和DNA/RNA光损伤修复过程进行系统的研究，重点探讨SAM裂解形成Ado自由基后引发的一系列化学反应，阐明整个催化循环反应过程的机理和Ado自由基再生机制，考察一些活性位点的残基对催化反应所起的作用，找出决定反应立体选择性和区选择性的关键因素，预测残基突变以及蛋白质构象变化对催化反应的影响。此项目的开展不仅有助于深入理解自由基SAM酶的生物学功能，也能为相关实验研究、酶设计及药物开发奠定一定的理论基础。

SAM自由基酶是一类需要依赖S-腺苷甲硫氨酸（SAM）才能起催化作用的蛋白酶，在生物体中发挥重要的生物学功能，催化的反应类型有甲基化反应、甲硫化反应、氧化反应、碳骨架重排等。由于SAM自由基活性较高，致使对反应中间体的实验观测存在较大困难，特别是对SAM自由基酶催化反应的细节和Ado自由基的重新生成机制还不清楚。针对这一研究现状，本项目拟以目前得到的SAM自由基酶的晶体结构为基础，综合运用量子力学、分子力学和分子动力学模拟方法系统地研究几类SAM自由基酶的催化机理，通过研究这些酶催化过程中所涉及的化学键形成与断裂过程的具体细节以及自由基传递规律，加深对自由基酶催化反应的理解，找出影响酶催化活性和反应选择性的关键因素，为相关实验研究和应用开发奠定必要的理论基础。项目于2013年8月获得面上类项目小额预研基金资助，研究期限为2016.01至2017.12。.在项目执行期间，课题组按研究计划系统地研究了几类代表性SAM自由基酶如孢子光产物裂解酶（SPL）、甲基化酶（RlmN）、7-羧基-7-脱氮鸟嘌呤合成酶（QueE）、抗生素那西肽和硫链丝菌肽合成酶（NosL）等的催化机理，对这些SAM自由基酶催化的甲基和硫甲基反应、变位与重排反应进行了系统的理论研究，探讨了SAM裂解形成Ado自由基后引发的一系列化学反应，阐明了整个催化循环反应过程的机理。主持人时刻关注该领域的国内外研究动态，根据具体情况对其它几种含铁酶如烟曲霉毒素B内过氧化酶(FtmOx1)、非血红素加双氧酶AsqJ、五羟基黄酮2,4-加双氧酶的催化反应也进行了系统研究，并与SAM自由基酶的催化反应进行了比较，总结了催化反应的规律和特点。.通过两年的艰苦努力，超额完成了预定的研究目标和任务，相关研究结果为深入理解此类酶结构与活性关系提供了重要信息，还可为进一步的实验研究和应用开发奠定必要的理论基础。.本项目研究成果共发表SCI学术论文19篇，其中影响因子大于10.0论文2篇（ACS Catalysis），影响因子大于3.0的11篇 （Phys. Chem. Chem. Phys., Catalysis Science & Technology，RSC Advances等）；培养博士生6名，硕士生5名，邀请国外专家讲学2人次，参加国际交流会议2人次，国内学术会议10人次。