武大、厦大团队合作突破氮杂环丁烷药效团合成难题，揭示双铁酶新颖催化机制

近日，武汉大学陈文青课题组、张郑宇课题组与厦门大学王斌举课题组深度协作，在氮杂环丁烷（Azetidine）药效团的生物合成及分子机制研究中取得重大突破。相关成果以“A two-metalloenzyme cascade constructs the azetidine-containing pharmacophore”为题，于2025年9月30日发表在《Nature Chemistry》期刊。其中，武汉大学陈文青教授、厦门大学王斌举教授与武汉大学张郑宇副教授为论文通讯作者，武汉大学博士后龚蓉、博士研究生瞿瑶与厦门大学博士后刘佳为共同第一作者。

一、研究背景：聚焦HDO双铁酶家族的独特价值

非血红素双铁酶HDO家族（HO-like Diiron Oxidases and Oxygenases）是近年备受关注的金属酶类别，其核心功能是通过活化氧气生成多种含氧活性中间体，进而催化各类高难度氧化反应。与经典非血红素双铁酶家族（FDOs）相比，HDO家族具有显著结构特征：双铁中心间距超长，配位环境灵活多样，这使得其反应中可能形成的活性中间体更具多样性与不确定性。因此，揭示HDO双铁酶的催化机制，对理解铁酶活化氧气的原理、探索酶环境对催化反应的微观调控作用具有重要科学意义。

二、核心发现：双酶级联催化实现氮杂环丁烷合成

研究团队通过实验证实，氮杂环丁烷药效团的生物合成以L-异亮氨酸为起始底物，经“蝶蛉依赖铁酶PolE”与“双铁酶PolF”的顺序催化完成——先发生去饱和反应，再通过C-N环化反应，最终生成产物聚肟酸（1）。

这一过程中的关键突破在于对PolF酶的鉴定与功能解析：

1. 酶家族归属明确：通过生化实验与结构生物学手段，首次确定PolF属于HDO超家族的新成员；

2. 催化机制阐明：结合分子动力学模拟（MD）、量子化学计算（QM）、量子化学-分子力学计算（QM/MM）等多尺度理论模拟方法，清晰揭示了PolF催化氧气活化及分子内C-N环化反应的新颖分子机制。

三、机制细节：高价中间体与关键残基的协同作用

研究团队通过停流光谱实验与多尺度计算，进一步拆解了PolF的催化过程，发现多个关键步骤与新型中间体：

1. 氧气活化与中间体生成：PolF的双铁中心可活化氧气，生成μ-过氧-Fe₂(III/III)中间体（P物种）；该P物种能从蛋白环境中接收质子，转化为Fe(III)Fe(III)-OOH物种。

2. 新型高价中间体发现：在富含色氨酸的局部微环境中，距离底物最近的残基W63会向Fe(III)Fe(III)-OOH提供电子，促使过氧键均裂，最终形成由色氨酸稳定的新型高价中间体（W辅助的X物种）。这一X物种为首次报道，极大丰富了对HDO家族高价态中间体结构与功能的认知。

3. C-N环化完成：X物种中高反应活性的Fe⁴⁺=O会攫取底物的C-H键，生成烯丙基自由基；随后Fe³⁺-OH活化底物的N-H键，形成氮中心自由基，二者构成底物双自由基中间体；同时，W63自由基从双铁中心接收电子恢复中性，最终通过双自由基耦合完成C-N环化，生成氮杂四元环产物。

此外，突变实验验证了色氨酸残基的协同作用：当W63发生突变时，W217与W263可作为替代电子供体，辅助X物种生成，确保催化反应持续进行。

四、研究意义：拓展催化边界，提供新研究范式

该研究通过“实验探索与理论模拟”的深度融合，不仅将HDO超家族的催化反应边界从已知氧化反应拓展至C-N环化反应，还首次解析了双铁酶催化氧气活化与C-N环化的新颖分子机制。这一成果为后续HDO家族酶的功能挖掘、氮杂环类药效团的生物合成研究提供了重要理论基础与实验参考。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01949-y