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S-腺苷甲硫氨酸(SAM)是自然界中廣泛應用的甲基供體，其作為甲基轉移酶(MT)的輔因子能夠實現多種底物的高選擇性甲基化。在藥物合成領域，甲基化作為一種非常有效的化學修飾，能夠將物質的效力增強數千倍，這種現象被稱為“魔術甲基效應”。然而，由于SAM的不穩定性和合成成本較高等問題限制了其大規模應用。

鹵代甲基轉移酶(HMT)可以催化鹵代烷烴與S-腺苷半胱氨酸(SAH)反應生成SAM，并與MT級聯實現最終底物的甲基化，極大地提高了該反應的原子經濟性。最新研究表明，由于鹵代烷烴的高毒性和高沸點的特性，對甲苯磺酸甲酯(MeOTs)被認為是更加綠色經濟的甲基供體。但鹵代甲基轉移酶對于非天然底物MeOTs的催化效率很低，難以達到大規模應用。

近日，華東理工大學的許建和教授、鄭高偉教授、陳琦副教授和俄亥俄州立大學的成小林教授合作，提出了一種基于酶的動態互相關網絡分析(簡稱 DCCNA)策略，該策略能夠從全局角度(包括底物結合口袋附近和遠端)識別關鍵氨基酸，以實現高效的酶工程。作者運用DCCNA策略對鹵代甲基轉移酶(BxHMT)進行了酶工程研究，以提高該酶對非天然底物MeOTs的催化效率。

實驗結果表明，通過DCCNA策略確定了15個潛在突變位點(主要是遠端位點)，其中11個氨基酸經實驗證明是有效的。隨后的單位點飽和及組合突變產生了最優突變體M4，其催化效率(k_cat/K_M)是母本的75倍，M4對MeOTs的比活為4.08 U/mg，與母本相比提高了82倍。值得注意的是，M4和其它有益突變體還對其它甲基供體的催化能力有了提高。

接著，通過對母本和M4分別與底物MeOTs對接后結構的分子動力學模擬和PCA分析，比較了兩者底物催化結合構象的差異。結果表明突變體M4不僅產生了新的相互作用來穩定底物的結合，其關鍵催化距離也相較于母本更加短且集中，使得甲基的轉移更容易發生。

本文提出的DCCNA策略為過去酶工程技術難以識別遠端突變位點的問題提供了新的解決思路，并可以大幅減輕篩選工作的負擔。BxHMT-M4催化性能的顯著增強為非天然底物的有效利用帶來了潛在的應用前景。這一突破也為HMT與MT級聯的甲基化反應的更廣泛應用奠定了堅實的基礎。

論文信息

Engineering of Halide Methyltransferase?BxHMT through Dynamic Cross-Correlation Network Analysis

Chun-Yu Gao,?Gui-Ying Yang,?Xu-Wei Ding,?Jian-He Xu,?Xiaolin Cheng,?Gao-Wei Zheng,?Qi Chen

文章的第一作者是華東理工大學的碩士研究生高春玉。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202401235

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