自 1962 年 JBC 杂志报道细胞色素 P450 (CYP450）的发现以来，其已被广泛研究，包括结构特征、催化机制、调节和生物化学的许多其他方面。

细胞色素 P450 (CYP450) 是以血红素作为辅因子的一个庞大的酶超家族，有许多同工酶和亚型组成，命名时用 CPY 代表 CYP450，其后加阿拉伯数字表示 CPY450 的家族成员，在数字后加字母，则代表亚家族。

CYP 酶可根据膜结合形式和可溶性形式进行分类。在原核生物中，CYP450 是一种可溶性蛋白。在真核生物中，它们通常结合在内质网或线粒体内膜上。

CYP450 还可根据电子转移过程分为四类，具体取决于来自 NAD(P)H 的电子如何传递到催化位点。I 类蛋白质需要含有 FAD 的还原酶和硫氧铁；II 类蛋白质仅需要含有辅因子FAD/FMN的P450还原酶来转移电子；III 类酶是自给自足的，不需要电子供体；IV 类 CYP450 直接从 NAD(P)H 接收电子。

▲图丨CYP450（来源：wikipedia）

在哺乳动物中，这类酶氧化类固醇、脂肪酸以及异生物质（如药物、毒素等），对清除各种化合物以及激素合成和分解都很重要；在植物中，这些蛋白质对于防御性次级代谢产物、脂肪酸和激素的生物合成十分重要。P450 酶已在所有生命界中被发现，包括动物、植物、真菌、原生生物、细菌、古菌以及病毒。

▲图丨人细胞色素 P450 主要成员和功能（来源：[1]）

在生物界以及合成生物学领域，P450 酶是一种非常重要的生物催化元件，广泛参与多种微生物天然药物的生物合成过程。它也是植物界中最大的基因家族，很多药用植物活性成分的生物合成途径涉及大量的 P450 生物催化元件。

CYP450 与生物合成

CYP450 是自然界中用途最广泛的生物催化剂之一，不仅能催化多种反应类型，而且底物谱极广。其多样化的功能在合成生物学应用中具有巨大潜力。

CYP450 催化萜类、甾醇、生物碱等天然产物的合成，在工业上有广泛的应用。此外，CYP 的工程化发展、生物传感器的研发、新型 CYP 特性的挖掘以及新型酶的不断开发，为 CYP 的进一步应用提供了方向。

2019 年，中科院课题组在 Nature Communications 上发表了第一篇关于异源合成紫杉醇关键中间体 taxadiene-5α-ol 在植物底盘中的研究。研究人员修改了紫杉烯-5α-羟化酶和 CYP450 还原酶的叶绿体定位。保证了 GGPP-TS-T5H/CPR 代谢途径的空间一致性，成功实现了 5α-羟基紫杉二烯的合成。

弈柯莱生物科技（上海）股份有限公司于 2020 年 4 月 3 日提交了一项专利申请，该公司开发了一种基因工程菌，其在细胞中表达 CYP 基因、铁氧还原蛋白基因、铁氧还原蛋白还原酶基因和脱氢酶基因而构建的工程菌。该工程菌应用于骨化二醇与骨化三醇的合成时，产量均显著提高，将其应用于工业化生产时成本更低，且反应特异性高、反应条件温和、环境友好，满足了骨化二醇与骨化三醇的工业化生产需求。

真菌（真核生物）和 细菌（原核生物）的 P450 催化系统有所不同，这也导致了对原核生物 P450s 的功能、结构和机理研究的蓬勃发展，而对真菌 P450s 的相应研究则受到很大限制。具体来说，第一，膜结合的性质使得真菌 P450s 和 CPRs 难以异源表达，特别是通过大肠杆菌等原核生物宿主获得足够的可溶性和功能性蛋白，用于体外机理分析和结构生物学研究；第二，真菌 P450 和异源 CPR 的亲和性远低于细菌 P450 与替代 Fdx/FdR 的亲和性。

▲图丨典型的真菌细胞色素 P450 酶催化循环（来源：[3]）

随着近年来基于 CRISPR/Cas9 的基因编辑技术的发展，以及部分真菌作为异源表达宿主的更广泛的应用，对于真菌 NP 生物合成 P450s 的功能和机理的研究也更加深入。

举例来说，2022 年 8 月，Nature Catalysis 报道了一种基于 Photorhabdus luminescens CipB 支架蛋白应用的电子通道策略，通过将 P450 和还原酶紧密结合，实现高效电子转移。重组大肠杆菌菌株已成功开发用于合成叶黄素、(+)-nootkatone、芹菜素和 L-3, 4-二羟基苯丙氨酸 (L-DOPA)。

山东大学微生物技术国家重点实验室于近两年完成了短密青霉天然产物 brevianamides 和免疫抑制剂霉酚酸（mycophenolic acid）的生物合成途径与关键酶催化机制解析工作，研究成果分别发表在 Nature Catalysis (Nat. Catal. 2020, 3: 497-506) 和 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS 2019, 116: 13305-13310)。

在酶和代谢工程学的基础上，几种真菌 P450s 已成功地应用于生产有价值的化学物质(如灵芝酸、氢化可的松、裸盖菇素和 u-羟基脂肪酸) 。

不过，与原核生物 P450 相比，真菌 P450 在科学研究和应用方面还有一些重要的局限性需要克服。

CYP450 与药物代谢

药物代谢是指药物在体内多种药物代谢酶（尤其肝药酶）的作用下化学结构发生改变的过程。药物在体内代谢后的结果通常有两种：一是失活，成为无药理活性的药物代谢物被降解或排出体外；二是活化，由无药理活性成为有药理活性的代谢物或产生有毒或致癌的代谢物。

细胞色素 P450 (CYP450) 酶家族对于许多药物的代谢至关重要。实际上，如今大约 80%~90% 的常用处方药都是由这类酶代谢的。当有多种药物时，在该代谢途径上就存在竞争或药物-药物相互作用的风险，最终会影响药物的有效性甚至药物的安全性。

因此，细胞色素 P450 (CYP) 抑制分析是药物发现过程的重要组成部分，因为药物之间的不利相互作用将导致药物开发计划终止、药物撤市或限制治疗用途。

▲图丨细胞色素 P450 酶经典催化循环（来源：[5]）

山东大学微生物技术国家重点实验室开发了链霉菌来源的 P450 酶 PikC，以此来模拟人类肝脏 P450 酶代谢药物的催化行为，发现其能够高效地催化氮烷基药物分子转化为相应的药物代谢产物。相关研究结果以“Bacterial Biosynthetic P450 Enzyme PikCD50N: A Potential Biocatalyst for the Preparation of Human Drug Metabolites”为题，发表于有机化学领域权威期刊 The Journal of Organic Chemistry。

有很多药物和药物类别受这个酶家族的影响，包括他汀类药物，β受体阻滞剂，还有抗抑郁药。此外，葡萄柚汁还会影响药物通过这种酶进行代谢。

目前，美国学术医疗中心 Mayo Clinic 通过为客户进行细胞色素 P450（CYP450）检测，帮助其快速确定合适的抗抑郁药。从检测到出具结果，仅需要几天到一周的时间。Mayo Clinic 连续七年被《美国新闻与世界报道》（U.S. News & World Report）评为全美第一的“最佳医院”。

机构方面表示，治疗抑郁症的药物通常是根据症状和病史开具的。对于某些患者，首次尝试的抗抑郁药便可缓解抑郁症状，并且有可耐受的副作用。但还有许多患者往往需要反复试验才能找到合适的药物。对于某些患者而言，找到合适的抗抑郁药可能需要几个月甚至更长时间。

基因分型检测，如细胞色素 P450 检测，将有助于加速识别更可能被身体更好代谢的药物。理想情况下，更好的代谢将带来更少的副作用，提高治疗效率。CYP450 检测通常只在初始抗抑郁治疗无效时使用。

此外，基因分型检测也可用于其他医学领域。例如，CYP2D6 检测有助于确定某些癌症药物（如治疗乳腺癌的他莫昔芬）是否更有效。CYP2C9 检测有助于确定血液稀释剂华法林的合适剂量，降低不良反应风险。