近日，我校生物工程学院聂尧教授课题组在Fe(II)/α-酮戊二酸依赖性双加氧酶（Fe(II)/α-ketoglutarate-dependent dioxygenases, αKGDs）结构–功能关系解析方面取得重要进展。相关研究成果以“Protein Structuromics Reveals a Loop-Controlled Half-Open Active Pocket Conformation Throughout Fe(II)/α-ketoglutarate-Dependent Dioxygenase Catalytic Cycle”为题发表于Advanced Science (IF = 14.1)。
αKGDs是自然界中一类重要的非血红素铁依赖酶，广泛参与细胞代谢、氧气感知、核酸修复以及天然产物生物合成等生命过程。该类酶能够借助Fe(II)和α-酮戊二酸形成高活性铁氧中间体，从而催化羟基化、脱甲基化、环氧化和结构重排等多种C–H键功能化反应，在非天然氨基酸、药物中间体和高值天然产物的绿色生物制造中具有重要应用潜力。然而，αKGDs成员反应类型高度多样，其活性口袋虽然通常由保守的双链β螺旋（DSBH）骨架其中一个β折叠片与柔性loop元件共同构成，但这些loop结构是否具有家族层面的保守结构特征，以及其是否在整个催化循环中承担更广泛功能，长期以来缺乏系统认识。
针对这一问题，研究团队以异亮氨酸双加氧酶（IDO）所在的PF10014家族为模型，整合结构预测、同源结构检索、结构比对和聚类分析，构建了αKGDs超家族的蛋白质结构组学分析框架。研究发现，尽管PF10014家族成员序列差异显著，其核心结构仍高度保守，系统的结构比较揭示了αKGDs中一种由刚性β折叠片与柔性loop共同构成的“半开放活性口袋”结构特征。该结构不同于传统的深埋在结构内部的封闭式活性位点，它能够通过loop构象变化动态调控活性口袋的开放与关闭。进一步地，研究团队结合增强采样分子动力学模拟、位点饱和突变和酶学表征，系统解析了IDO中“半开放活性口袋”关键loop元件在整个催化循环中的多重功能。结果表明，Y100和W168作为“门扣”残基通过合适的疏水相互作用维持活性口袋开闭构象的平衡；loop 2中的多个锚定残基参与底物识别和定位，其改造可显著提升对不同脂肪族氨基酸底物的催化活性；同时，loop 2还参与底物进入和产物释放相关的分子转运过程。该研究表明，αKGDs中的loop并非仅是柔性结构片段，而是耦合构象调控、底物定位与分子转运的关键催化模块。
该项成果拓展了对αKGDs超家族结构–功能关系的认识，提出了基于蛋白质结构组学解析酶家族保守结构特征的新思路，也为面向C–H键功能化反应的双加氧酶理性设计与生物催化平台开发提供了重要理论依据。
图1 图形摘要
聂尧教授为论文的通讯作者，生物工程学院博士伍伦杰（已毕业）为论文第一作者。上述研究得到国家重点研发计划（2021YFC2102000）、国家自然科学基金（22178147，22378168）等项目联合资助。近年来聂尧教授团队在氧化还原酶的蛋白质工程及生物催化方面方面取得丰硕成果，相关研究成果发表在ACS Catalysis (2022，2023，2024, 2026)、Biotechnology Advances (2022，2023，2025，2026)、Bioresource Technology (2026)等本领域权威期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75853。
