近日，上海交通大学微生物代谢国家重点实验室唐鸿志教授与赵一雷教授等合作揭示了非血红素亚铁双加氧酶（NicX）的催化反应机理，研究成果以“Structure-guided insights into heterocyclic ring-cleavage catalysis of the non-heme Fe (II) dioxygenase NicX”为题，在线发表于国际权威期刊《Nature Communications》。

      以吡啶及其衍生物为代表的N-杂环化合物会对环境造成严重污染，2,5-羟基吡啶（DHP）是吡啶及其衍生物分解代谢过程中的重要核心有机中间体，可导致DNA链断裂，是一种潜在的致癌物。相比催化苯环开环反应相关酶的结构及机理已被深入研究，虽然前期发现DHP可被双加氧酶（NicX）催化开环转化为N-甲酰基马来酸（NFM），但催化吡啶环开环反应相关酶及其催化反应机理的研究却报道较少。

图 非血红素亚铁双加氧酶（NicX）的结构

      本研究首先解析了NicX单体、NicX与小分子底物DHP和产物NFM的复合物结构。晶体结构显示，NicX是以His²⁶⁵、Ser³⁰²、His³¹⁸和Asp³²⁰配位金属亚铁离子，如果将这四个残基突变则会使酶失去结合金属亚铁离子的能力。值得关注的是，以Ser作为亚铁离子配体的非血素亚铁双加氧酶结构蛋白为首次报道。通过比较静息状态的酶与酶结合底物、酶结合产物的结构发现，氨基酸残基Leu¹⁰⁴-His¹⁰⁵在催化反应过程中起到结合和稳定底物的作用，通过构象变化关闭通道II，同时开启一条通往活性中心的疏水性通道。进一步结合计算生物学分析，提出了氧气结合顶端位置的催化机制：氧气结合在底物和亚铁离子之间，通过底物吡啶环上的N-H键参与质子转移激活氧气分子，促使氧气进攻底物，随后O-O键的断裂使其中一个氧原子插入吡啶环形成七元环中间体，后续七元环开环生成产物NFM。上述结果为非血红素依赖的亚铁双加氧酶系的机理研究提供了一个新途径。

图 NicX催化DHP的可能途径

    该研究工作获得科技部国家重点研发计划（2018YFA0901200）和上海市科委（20XD1421900）等项目支持。博士生刘功全和赵一雷教授为共同第一作者，唐鸿志教授为通讯作者，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究员参与研究。
      文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21567-9