中国科学院海洋研究所海洋生物制造研究组在黄素依赖单加氧酶（FMO）功能多样性研究领域取得重要进展，揭示了三种真菌来源的同源FMO酶PldC、CtdE与PhqK精准控制碳氧化与氮氧化反应的分子机制，并发现该催化能力在相关酶家族中具有进化保守性。相关成果于9月9日在线发表于国际化学领域期刊Angewandte Chemie International Edition。

图1PldC、CtdE与PhqK催化的碳氧化与氮氧化反应网络

N-氧化物（R₃N⁺–O⁻）是天然产物中广泛存在的一类重要官能团，常见于哺乳动物代谢物、植物生物碱、微生物代谢产物及海洋毒素中。其独特的极性共价结构赋予其增强水溶性、改善膜通透性及调节药物与靶点结合能力等重要生物学性质。然而，尽管N-氧化物在自然界广泛存在，人们对其生物合成过程及催化机制的了解却十分有限。迄今为止，仅有非血红素铁酶、细胞色素P450和黄素依赖单加氧酶（FMO）三类酶被证实参与N-氧化物的合成。在复杂异戊烯基吲哚生物碱（PIAs）这一庞大的天然产物家族中，N-氧化物形成的酶学基础一直未被阐明。

为解开这一谜题，研究团队综合运用基因敲除、体外酶学表征、晶体结构解析、AlphaFold3结构预测与分子对接等多种手段，首次鉴定出丝状真菌中负责PIA类天然产物N-氧化物合成的关键酶——PldC，并发现其能够催化两步反应：先完成吲哚2,3-环氧化与重排，再区域选择性地催化N13位氧化。更重要的是，研究发现另外两个已知的同源酶CtdE和PhqK同样具备类似的N-氧化能力，表明N-氧化物形成活性在真菌FMO酶家族中具有进化保守性。

结构生物学、分子对接和定点突变实验进一步揭示，FMO酶催化“碳氧化”还是“氮氧化”的关键，并不取决于酶的催化残基或辅因子的构象变化，而是底物在酶口袋中的结合姿态。换言之，底物结合稍微偏一点，反应就可能从碳氧化切换到氮氧化。这种由底物结合构象控制的区域选择性，此前在FMO家族中从未被报道。

图2 PldC、CtdE与PhqK的催化功能与底物结合构象比较

（a. 催化功能比较；b. 活性口袋中底物结合构象差异分析）

综上，本研究鉴定了丝状真菌中负责复杂PIAsN-氧化物合成的FMO酶，并揭示PldC、CtdE与PhqK作为双功能酶，能够同时驱动碳氧化和氮氧化两条不同的氧化路径。这些酶此前被认为仅具有立体选择性吲哚单加氧酶功能，而本研究结果表明，N-氧化活性在该酶家族中可能是进化保守的。PhqK中N-氧化物形成活性的发现，也为同类型天然产物的生物合成组装提供了新线索。鉴于N-氧化物在药理学和生态学中的重要地位，许多被注释为专一性氧化酶的FMO，可能同样具备潜在的N-加氧酶活性。这一认识为理解代谢途径进化与天然产物生物合成中的氧化多样性提供了全新视角。

中国科学院海洋研究所张伟研究员为该论文的通讯作者。本研究工作得到了中国科学院海洋研究所自主部署项目、国家自然科学基金和山东省重点研发计划等项目支持。

论文信息：

Tiandong Hu, Peiyuan Feng, Ting Lin, Anran Fu, Qian Wang, Qingyu Yang, Zechao Liu, Shengying Li, Wei Zhang*, Discovery and Characterization of Conserved N-Oxide-Forming Function of FAD-Dependent Monooxygenases for Fungal Prenylated Indole Alkaloid Biosynthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 2026. https:// doi.org/10.1002/anie.9391687