Unrivalled diversity: the many roles and reactions of bacterial cytochromes P450 in secondary metabolism†
- 作者
- Anja Greule, Jeanette E. Stok, James J. De Voss, Max J. Cryle
- 杂志
- Natural Product Reports（2017）
- DOI
- 10.1039/c7np00063d
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
细菌细胞色素P450在次级代谢中具有超乎想象的催化多样性，远超经典C-H键羟基化；综述旨在系统整理这些多样化学反应，为理解新发现细菌生物合成途径中P450的潜在功能提供参考资源。
研究策略
系统综述2000至2018年间细菌P450在次级代谢中的研究进展，从其保守结构、催化循环出发，按萜类、脂肪酸、生物碱、莽草酸、聚酮、肽类等途径逐一分类阐述P450介导的各类化学反应与生物合成/降解功能。
核心内容
该综述系统整理了2000至2018年间细菌细胞色素P450在次级代谢中的研究进展，指出其催化多样性远超经典的C-H键羟基化反应。作者从P450的保守结构与催化循环出发，按萜类、脂肪酸、生物碱、聚酮和肽类等途径分类，归纳了包括脱氢、芳香交联、四氢呋喃环形成、C–S键形成、氧化脱羧、多步氧化重排以及作用于载体蛋白结合底物等多种非经典催化类型。文中列举了多个代表性案例：链霉菌Streptomyces avermitilis基因组预测含33个P450编码基因；P450BM3对脂肪酸羟基化产物立体选择性可达>99% ee；OleT催化脂肪酸氧化脱羧生成末端烯烃，具生物燃料潜力；P450biol对ACP结合脂肪酸实现完全选择性生成C7二酸；CYP170A1兼具氧化酶与萜烯合酶双重功能。综述强调同一P450家族内功能高度多样，单纯序列相似性难以预测功能，该总结为理解新发现生物合成途径中P450的作用及基因组挖掘提供了实用参考资源。
创新点
全面总结了细菌P450在次级代谢中的多种非经典催化反应，包括脱氢、芳香交联、四氢呋喃环形成、C–S键形成、氧化脱羧、多步氧化重排以及作用于载体蛋白结合底物等；并指出同一P450家族内功能高度多样，单纯序列相似性难以预测功能。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudomonas putida | 单萜降解（樟脑降解） | CYP101A1 | P450cam | 催化 | 催化樟脑羟基化为5-exo-羟基樟脑，是樟脑降解第一步 |
| Bacillus megaterium | 脂肪酸代谢 | CYP102A1 | P450BM3 | 催化 | 天然融合蛋白，催化脂肪酸ω-1至ω-3羟基化，立体选择性>99% ee |
| Thermus thermophilus HB27 | 类胡萝卜素生物合成 | CYP175A1 | CYP175A1 | 催化 | 耐热类胡萝卜素羟化酶，催化对称的两个甲基羟基化 |
| Streptomyces coelicolor | 倍半萜生物合成（albaflavenone） | CYP170A1 | CYP170A1 | 催化 | 催化烯丙基亚甲基连续氧化为酮，且兼具萜烯合酶活性 |
| Actinoplanes teichomyceticus | 糖肽抗生素（teicoplanin）生物合成 | CYP165B7 | OxyBte1 | 催化 | 参与teicoplanin生物合成中的氧化交联反应 |
| Bacillus sp. | 生物素生物合成（脂肪酸氧化） | P450biol | P450biol | 催化 | 选择性氧化ACP结合脂肪酸，生成C7二酸前体 |
| Jeotgalicoccus sp. ATCC 8456 | 脂肪酸氧化脱羧 | CYP152L1 | OleT | 催化 | 催化脂肪酸氧化脱羧生成末端烯烃，可用于生物燃料 |
| Streptomyces avermitilis | 倍半萜抗菌素（pentalenolactone）生物合成 | CYP105D7 | CYP105D7 | 催化 | 催化pentalene骨架亚甲基羟基化，不发生重排 |
关键发现
- 链霉菌 Streptomyces avermitilis 基因组中预测含有33个P450编码基因
- P450cam (CYP101A1) 催化樟脑羟基化为5-exo-羟基樟脑，开启降解途径
- P450BM3 对脂肪酸羟基化的产物立体选择性可>99% ee
- OleT (CYP152L1) 催化脂肪酸氧化脱羧生成末端烯烃，具有生物燃料应用潜力
- P450biol 对ACP结合脂肪酸实现完全选择性生成C7二酸（庚二酸前体）
- CYP170A1 兼具P450氧化酶和萜烯合酶双重功能
- CYP110C1 被提出通过环氧化-环化形成双环产物
- CYP124 对异支链脂肪酸ω-甲基选择性远高于直链脂肪酸
- P450BSB 催化长链脂肪酸生成β-R-与α-S-羟基化产物比例为3:2
- CYP119 在70°C下与热稳定的氧化还原系统组合可显著提高活性。
研究结论
细菌P450在次级代谢中展现出令人惊叹的催化多样性和底物灵活性，是自然界最强大的氧化生物催化剂之一；深入研究其多样催化机制对于理解次级代谢途径、指导基因组挖掘以及开发新型生物催化剂具有重要意义。