过氧化氢酶是一种普遍存在于自然界的血红素铁酶，其活性主要是分解H2O2产生H2O和O2，以保护生物体不被过氧化氢所毒害，目前该酶的主要研究方向为H2O2的分解机制及其生理功能，而过氧化氢酶的O2的代谢利用机制尚未见报道。前期研究发现，过氧化氢酶EasC利用O2催化麦角生物碱核心骨架四并环结构中C环合成时并不需要额外添加NADPH等还原剂，推测其可能代表着一种未知的氧气激活与氧同化机制。

　　近日，中国科学院天津工业生物技术研究所高书山团队与杭州师范大学郭瑞庭团队合作，破解了EasC蛋白底物复合体结构，并利用波谱测定、体外生化、同位素标记和化学计算等手段，从分子水平阐明了EasC利用O2催化氧化环化反应的新机制。团队首先通过电镜获得EasC酶与底物PCC的复合体结构（2.33 ?），发现EasC呈现二聚体结构，并且发现PCC并不是结合在heme口袋上方，而是结合在过氧化氢酶共有的NADPH口袋，该位置距离heme口袋20.7 ?，两口袋之间通过一个狭长活性氧传输通道相连。为了探究EasC参与催化反应的铁氧复合物类型，随后团队对酶的波谱特征进行了检测。在有氧条件下，将底物PCC和EasC酶（静息态Fe(III)）进行快速混合，使用停留色谱检测到了416、544 和590 nm的最大吸收，该吸收明显区别于血红素酶已报道的铁-氧复合体Compound I (Cpd I,Fe(IV)=O) 的最大吸收（408 和650 nm），反而与文献报道的Compound III(Cpd III,Fe(III)-O2·-）吸收一致，表明EasC中的血红素铁可能以Cpd III的方式参与催化反应。进一步的电子顺磁共振和紫外吸收测试表明，在有氧条件下，静息态EasC的Fe(III)接收底物电子并与O2结合耦合、直接形成Cpd III。由于Cpd III可以分解生成超氧阴离子（O2·-）并回归到静息态Fe(III)，团队推测EasC催化过程可能由超氧阴离子介导。因此该研究进一步通过活性氧抑制实验、超氧阴离子恢复实验以及18O标记的超氧阴离子自由基竞争性实验，鉴定出氧气被活化成超氧阴离子（O2·-）的活性氧形式、参与底物的转化，而非传统的铁-氧复合物转化底物。

　　基于以上实验结果，团队提出了基于活性氧超氧阴离子的反应机制：i)结合在NADPH口袋的底物PCC，其吲哚氨基将一个电子传递给血红素口袋的Fe(III)，后者同时和氧气结合形成Fe(III)-O2·- (Cpd III)；ii)Cpd III进一步分解成Fe(III)和超氧阴离子（O2·-），生成的超氧阴离子通过两个口袋之间的ROS通道进入NADPH口袋；iii)超氧阴离子与底物PCC结合，催化复杂的氧化环化反应，完成麦角生物碱C环的合成。

　　综上所述，该研究详细阐明了麦角生物碱核心骨架C环的生物合成机制，发现过氧化氢酶EasC利用超氧阴离子实现氧气激活，并进一步催化氧化环化反应。该机制代表了一种全新的血红素金属酶的催化模式，即氧气无需形成活性铁-氧复合物。同时，该研究也让过氧化氢酶的相关研究从H2O2依赖性酶转向O2依赖性酶，拓展了过氧化氢酶这一生物催化剂的研究领域。

　　该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动、湖北红山实验室项目、杭州师范大学交叉学科研究项目以及中国科学院战略性先导科技专项等项目支持，相关成果发表于Nature期刊。杭州师范大学陈纯琪教授、博士生刘紫薇，中国科学院天津工业生物技术研究所客座博士生禹之璞、中国科学院微生物研究所副研究员姚永鹏为本文的共同第一作者，高书山研究员和郭瑞庭研究员为本文的共同通讯作者。低碳合成工程生物学全国重点实验室和工业酶国家工程研究中心相关科研人员在本项工作中做出了重要贡献。