赖氨酸羟化酶是一类对人体健康至关重要的酶，它们通过触发胶原蛋白交联过程参与多种生物体内过程，如控制血压和胚胎心脏发育。然而，赖氨酸羟化酶的过度表达可能导致癌症的发展。这些酶的高度立体和区域选择性使得它们能特异性地羟基化赖氨酸残基的C3、C4或C5位置。在自然界中已鉴定出多种赖氨酸羟化酶，它们在不同物种中具有不同的特性，表现为底物活化和产物分布的显著差异。非血红素铁/α-酮戊二酸（αKG）依赖的赖氨酸双加氧酶（KDOs）是一类普遍存在于多种生物系统中的酶，它们参与了包括激素和抗生素在内的多种天然产物的生物合成反应。

        尽管我们已经对这些酶的作用有了一定的了解，但关于这些酶的区域和立体选择性的调控机制还知之甚少。为了更好地理解这些酶如何选择性地羟基化它们的底物，Sam P de Visser等人进行了一项关于KDO5的详细计算研究。通过分子动力学模拟和量子力学计算，我们探索了这些酶的机制和特点，并尝试解释其高选择性的来源。

图片来源：JACS

       本研究的主要揭示了非血红素铁赖氨酸4-羟化酶（KDO5）的区域选择性羟基化机制。为达到这一目的，作者团队首先利用分子动力学（MD）模拟，选取了KDO5的一个快照（图1），并基于此构建了大规模的量子力学（QM）集群模型。这些模型包括297至407个原子，能够精确再现实验结构、光谱参数及动力学数据。（图2）此外，作者还特别识别了活性位点中的一个酪氨酸残基（Tyr233），该残基通过质子偶合电子转移机制参与催化过程，从而引导底物特异性C4位羟基化。

图片来源：JACS

        具体地，研究人员从PDB 6EUR X射线晶体结构出发，进行初步的模型设置，包括底物赖氨酸的对接、氢原子的添加以及溶剂化。接下来，利用Amber力场进行了长达50纳秒的无约束分子动力学模拟，确保获得稳定的酶结构。基于MD模拟的最终结果，作者构建了几个不同的QM集群模型，用以研究铁（IV）-氧化物物种的形成与反应机理。通过这些方法，作者详细地研究了Tyr233的作用机制，了解其如何通过电子和质子的转移，影响底物的活化和羟基化反应的选择性。

        本研究对于理解和控制非血红素铁依赖型赖氨酸双加氧酶的区域选择性具有重要意义。通过揭示Tyr233在KDO5的催化周期中如何通过质子偶合电子转移机制引导特定位置的羟基化，不仅为我们提供了一种调控这类酶活性的潜在方法，也为进一步的酶工程提供了理论基础。此外，由于这些酶在人类健康中的作用，深入理解其功能机制对于开发新的治疗策略具有潜在的临床价值。

标题：An Active Site Tyr Residue Guides the Regioselectivity of Lysine Hydroxylation by Nonheme Iron Lysine-4-hydroxylase Enzymes through Proton-Coupled Electron Transfer

作者：Yuanxin Cao, Sam Hay, and Sam P. de Visser*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c14574