山东大学李盛英教授团队揭示细胞色素P450酶AveE催化阿维菌素四氢呋喃环生物合成的分子机制

近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室李盛英教授团队在“诺奖”明星分子阿维菌素的生物合成研究上取得重要进展，研究成果以“Cytochrome P450-Catalyzed Tetrahydrofuran Formation via Dual Pathways in Avermectin Biosynthesis”为题发表于ACS Catalysis。李盛英教授和马莉副教授为该论文的共同通讯作者，山东大学硕士毕业生孙天健和博士研究生刘明钰为并列第一作者，山东大学为第一完成单位和通讯作者单位。

阿维菌素是由阿维链霉菌产生的一类十六元环大环内酯类化合物。作为高效、低毒的天然产物，阿维菌素及其衍生物在农业害虫防治和人类寄生虫病治疗领域发挥着重要作用。其中，阿维菌素衍生物伊维菌素（Ivermectin, 22,23-二氢阿维菌素B1），在治疗河盲症和象皮病等寄生虫疾病方面取得了显著成效。正因如此，阿维菌素的发现者与屠呦呦共同获得了2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家们对阿维菌素的生物合成进行长期深入的研究，尽管早在三十年前就已经发现了阿维菌素中关键药效团四氢呋喃的形成与编码细胞色素P450酶的基因aveE相关，但由于AveE酶蛋白难以实现可溶性、功能性表达，其精确的催化功能和机制一直未获阐明。

在本研究中，团队创新性地采用了“组合表达策略”，通过密码子优化、N-端序列截短、添加融合标签以及伴侣蛋白共表达等手段，成功实现了P450酶AveE在大肠杆菌中的可溶性异源表达与纯化。这一突破性进展不仅为AveE的体外生化功能研究奠定了基础，也为其它难表达P450酶的异源表达提供了重要参考。此外，研究团队还在体外重构了AveE催化阿维菌素中四氢呋喃基团的合成过程，并首次揭示了关键C8a位单羟基化中间体的存在。通过18O2和H218O同位素标记实验，团队深入解析了AveE的催化机制，发现四氢呋喃的形成是通过C8a,C6-二醇途径与C6-亲核攻击途径协同实现的。该研究为探究P450酶在五元氧杂环形成中的特殊作用提供了新案例，丰富了对于该类生物合成反应的机制性认识。与此同时，对AveE催化功能的详细表征和机制解析为其在合成生物学领域的进一步改造和工程化应用奠定了重要基础。

华东理工大学张立新教授与山东大学刘磊教授对于该论文亦有重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的资助。山东大学微生物技术国家重点实验室生命环境研究公共技术平台为本工作提供了重要技术支持。