近日，本室肖晗副研究员与石婷研究员合作在《ACS Catalysis》发表论文“A Branchpoint Cytochrome P450 CYP512A13 Interconverts Different Types of Ganoderma Triterpenoids”。该研究鉴定了灵芝来源的多功能细胞色素氧化酶 CYP512A13并阐明其催化机制，经理性设计实现不同类型灵芝酸的高效生产(图1)。上海交通大学博士生王钦和杜泽乾为论文共同第一作者，肖晗副研究员和石婷研究员为共同通讯作者，钟建江教授、浙江寿仙谷药业的李振皓博士等为本研究的开展提供重要帮助，本室为第一单位。
图1 CYP512A13的功能鉴定及催化机制研究
灵芝作为传统的食药用高等真菌，其三萜类化合物(灵芝酸，GA)因强大的药理特性备受关注。根据骨架上双键位置，GA分为两种类型，I型GA结构多样、种类丰富，占已报道化合物的75%。超过30%的I型GA在C7、C8和C8、C9处具有烯酮结构(天然产物重要活性基团)，在抗炎和抗癌方面表现出良好的生理活性。目前基于不同类型GA的转化仅限于知晓C26氧化的HLDOA(一种不含烯酮的I型GA)可作为II型GA的前体。
该研究首先分析灵芝菌丝体中C7氧化修饰I型GA的结构特征，发现C26羧化、C15羟化和/或C15乙酰化同时发生，这表明C7、C8和C8、C9烯酮结构形成的关键缺失酶可能与C26氧化酶CYP5150L8、C15羟化酶CYP512W2和C15乙酰化酶GlAT具有相似的表达模式(Cell Discov, 2025, 11:61)。以上述关键酶为诱饵，分析与其高度共表达的酶，借助合成生物学平台鉴定出多功能细胞色素氧化酶CYP512A13。
基于体内发酵和体外生化表征的结果发现，CYP512A13一方面可直接催化羊角甾烷骨架上的碳碳共轭双键转化为烯酮。水通道和底物的C15羟基对上述转化起到了促进作用，这是烯酮生物合成过程中罕见的机制。此外，CYP512A13还可羟化同一底物上的其他碳位点，生成未报道过的II型GA(图2)。这一发现首次证明II型GA可由CYP512A13转换为I型GA。
图2 CYP512A13可转化不同类型的GAs
研究团队通过将计算建模与实验验证相结合，阐明了CYP512A13的催化机制，揭示了其产生含烯酮的I型GA和II型GA的双重能力。基于上述认识，鉴定出影响催化活性和底物特异性的关键氨基酸残基，通过合理设计对CYP512A13进行改造，实现了不同类型GA的选择性生产(图3)。这一成果意味着可根据实际需求，有针对性地生产特定类型的灵芝酸，大大提高了灵芝酸生产的效率和精准度。
图3 影响 CYP512A13 底物特异性和酶活性的关键残基
该研究不仅使人们对灵芝三萜类化合物的生物合成途径有了更加全面、清晰的认识，更为合成生物学领域提供了全新且高效的工具。这一突破为I型烯酮GA和新型II型GA的高效生物合成奠定基础，有望在医药、保健品等领域发挥重要作用。
该研究获得上海市合成生物学重点专项(24HC2810800)、名贵中药资源可持续利用能力建设项目(2060302-2303-02)、上海市科技重大专项、国家自然科学基金(32270038)以及浙江省先锋研发计划(2025C01133)的支持。感谢上海交通大学瞿旭东教授和康昱盛科技马银昊先生的有益建议。
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