细胞色素P450酶用途广泛，P450Rdb数据库提供丰富信息

细胞色素P450酶，简称为P450酶，它是世界上公认的用途最为广泛的催化剂，在生物代谢过程中发挥着重要作用，在生物合成过程中也发挥着重要作用。数据库里有大量的P450基因，数量超过30万个，然而只有一小部分进行了功能表征，这一小部分占比不到0.2% 。作者引入了P450Rdb数据库，目的是提供一个方便的平台，该平台能提供丰富的p450及其相应反应的信息，P450Rdb数据库是一个人工整理的资源，汇集了p450催化反应的文献。

Highlights

P450Rdb进行了汇编，它汇编的是综合目录，这个综合目录涵盖了1,600多种由p450催化的反应。

P450Rdb进行了收集，收集的对象是590多个p450，这些p450来自200多个物种 。

P450Rdb根据其化学反应类型和场所系统地组织所有反应。

P450Rdb给p450及其相关反应提供了界面，这个界面方便用户使用。

P450Rdb对合成生物学、药理学和化学工业的研究有益。

Abstract

细胞色素P450酶，简称为P450酶，是世界上公认的用途最为广泛的催化剂，它在生物代谢以及生物合成过程当中发挥着重要作用。数据库里有大量的P450基因，数量超过30万个，然而只有一小部分进行了功能表征，这一小部分占比不到0.2% 。

目标是提供一个方便的平台，该平台能提供丰富的p450及其相应反应的信息，为此我们引入了P450Rdb数据库，它是一个人工整理的资源，汇集了p450催化反应的文献。

所有的p450和反应是手动从文献及已知数据库中整理得出的，随后，P450反应依据其化学反应类型与部位被组织并分类，网站运用HTML和PHP语言开发，数据存储借助MySQL服务器 。

当前版本的P450Rdb收录了超过1600种反应，这些反应涉及超过200种不同种类的590多种p450。此外，它还提供了一个界面，这个界面用户友好，能提供全面的信息，方便对p450及其相应的反应进行查询、浏览和分析。P450Rdb可在

免费获得。

结论：我们相信该数据库会极大地推动p450基因的结构研究，也会极大地推动其功能研究，进而推动天然产物合成领域的进步，推动制药工程领域的进步，推动生物技术应用领域的进步，推动农业和作物改良领域的进步，推动化学工业领域的进步 。

Introduction

细胞色素P450（CYP，P450）是超家族酶，它利用血红素作为辅助因子，催化单加氧酶反应，它们存在于所有生命领域，涵盖植物、动物、真菌、原生生物、细菌、古细菌，甚至病毒[1,2]，其中，和动物与微生物相比，植物p450出现了显著的多样化[3,4] 。它们在植物界展现出广泛的丰度，呈现出功能多样性，在天然产物的生物合成途径里发挥关键作用，还为植物可塑性提供分子基础[3,5] 。

积累的研究显示，p450具备显著的催化能力。它能够促进20多种氧化还原反应。这其中包括羟基化、亚砜化、氧化、环氧化、脱羧和环化[6]。这些反应涉及各类底物和产物。像萜类、生物碱、脂肪酸、类固醇、抗生素和异种生物等。这使得p450成为自然界最为通用的生物催化剂[7 - 9]。在生物体内，p450 在细胞的代谢过程中发挥着重要作用，在天然产物的生物合成与降解方面也发挥着重要作用，在药物和环境污染物的代谢方面同样发挥着重要作用，在植物的化学防御方面也起到重要作用[3,10 - 13]。因为 p450 具备多种催化能力，所以它在合成生物学领域引起了极大的兴趣，在生物技术和农业应用领域也引起了极大的兴趣，在制药领域同样引起了极大的兴趣，在生物修复和环境监测领域也引发了极大的兴趣，在化学工业中也引起了极大的兴趣[14-21]。

近年来，“组学”技术取得进步，合成生物学也取得进步，二者为p450的鉴定做出了重大贡献，为p450的功能解释也做出了重大贡献[22 - 24]。然而，仍存在一些挑战，比如晶体结构鉴定方面存在挑战，增强异源活性方面存在挑战，酶工程方面也存在挑战[25 - 28]。此外，已经开发了许多数据库。这些数据库用于记录大量的P450数据，用于管理大量的P450数据，用于分析大量的P450数据（表S1）。比如Cytochrome P450主页[29]，比如Human Cytochrome P450 (CYP)等位基因命名委员会主页[30]，比如P450包含系统目录[31]，比如拟南芥P450数据库[32]，比如SuperCYP数据库[33]，比如昆虫P450站点(

)、PROMISE中的P450 (

真菌细胞色素P450数据库[34]，细胞色素P450工程数据库[35]，PCPD数据库[36]，植物细胞色素P450数据库[3]，还有PROMISE/P450.html)，一些综述文章对P450的相关知识进行了综述，其内容涵盖蛋白质结构、功能、相关催化反应以及与药物的相互作用(表S2)[37 - 40] 。这些资源已对超过30万个P450基因进行了鉴定与收集，然而其中仅有不到0.2%的基因获得了功能表征[41 - 43]。

近年来，关注植物P450s催化功能的数据库渐渐兴起，像PCPD数据库[36][44]从文献以及其他数据库里收集了181种植物P450s及其序列、结构与反应信息。基于文献来源[3]，Plant Cytochrome P450数据库提供了已知代谢一种或多种底物的CYPs的广泛汇编。这些资源为植物p450相关的功能解释以及合成生物学研究提供了重要的参考数据，然而据我们所知，仍缺少一种专门用于存储和整合p450在所有生物中的催化功能与反应的资源，在此我们介绍了P450Rdb数据库，它是一个人工管理的资源，专注于p450催化的文献支持反应。当前版本的P450Rdb记录了超过590个p450。它还记录了超过1600个反应（图1a）。我们建立这个数据库。目的是为p450及其相应反应提供一个方便的界面（图1b）。进而加快天然产物合成和药理学的研究。

图1，P450Rdb的数据以及网站，其中包括数据库里597个p450的系统发育树，还有P450db网站首页。

Materials and methods

Data collection

所有的P450和反应，都是人工进行筛选的。筛选的来源是文献，该文献的时间在2023年4月之前。此外，筛选还参考了其他两个已知数据库，分别是PCPD数据库和TriForC数据库 。筛选情况如图2所示 。最初，在PubMed、bioRxiv和Google Scholar上展开全面搜索，运用如“P450”、“CYPs”、“Cytochrome P450”、“monooxygenases”、“Reaction”以及“P450酶”等关键词。接着，由专家管理员对检索出的出版物开展初步检查，借此消除假阳性论文。P450Reaction数据库仅含有由p450催化的、有实验支持的反应，收集的作品历经至少两位独立专家策展人的严格评估及双重检查流程，任何出现的分歧都通过与第三位专家策展人的讨论来解决，以此确保达成共识。此外，P450Reaction数据库纳入了来自PCPD数据库的181个反应，这些反应来自文献[36]，该数据库还纳入了来自TriForC数据库的228个反应，这些反应来自文献[45]。

Organization

首先，我们会依据化学反应类型把所有反应分成六种类型，分别是氧化反应、还原反应、氧化还原反应、结合反应、分解反应以及取代反应，相关情况如图2所示。氧化反应指的是在化学反应进程中分子、原子或者离子失去电子。与之相反，当反应物得到电子时，还原反应便会发生。在氧化还原反应里，反应的一部分常常借助获得电子来降低自身氧化值，另一部分则会被氧化，进而致使电子损失。当两种底物相结合形成单一产物时，结合反应便发生了。另一方面，当一种反应物分解成两种或两种以上产物时，分解反应就出现了。最后，取代反应是指分子中的一个原子、离子或者原子团被另一个原子、离子或者原子团所取代。此外，除考虑化学反应类型外，我们还依据所涉及的具体反应位点区分反应，这些位点包含ACH3、ACH、ANH等官能团以及ACHACH、ACHAOH、ACH - br等化学键，我们共确定41个不同反应位点并对所有反应进行综合分类(图2)。

图2。P450Rdb的数据收集、整理和标注。

Annotation

我们要建立各种文献来源中提到的 p450 和化合物（底物/产物）之间的一致性，为此使用权威参考数据库进行制图，制图结果为图 2 。所有的p450都被映射至UniProt数据库（UniProt ID）[46]，以及NCBI基因数据库（Entrez ID）[47]，底物/产物被映射到PubChem数据库（PubChem CID和SID）[48]。在p450的细节内容上，我们从Uniprot数据库获取了蛋白质名称，还获得了物种信息，也获得了序列。由于许多p450没有经过实验验证的晶体结构，我们在AlphaFold数据库中添加了超链接，用于访问预测的蛋白质结构。在底物/产物细节方面，我们从PubChem数据库收集了各自的公式、Smiles符号和结构。这些全面的映射以及从权威资源获取的数据，保证了数据库中信息的标准化和可靠性。

Architecture

首先，我们进行前端web开发时采用HTML + CSS + JavaScript的框架（图3），三种编程语言相互配合，为用户提供应用，该应用内容清晰、界面简洁、交互性丰富，网站采用的自响应式布局还能兼容PC端和移动端不同的场景。同时，后端采用PHP与MySQL架构，能依据前端不同访问请求运行不同脚本，还能动态生成相应返回数据，该过程具备数据安全性高、查询速度快的特性，另外，我们运用Smarty模板引擎分离前端与后端，分离逻辑程序与外部内容，方便后期管理和维护。平台的网络服务由EngineX (Nginx)提供。

图3。P450Rdb的架构。

Results

Data statistics

当前版本的P450Rdb记录了1692个反应，这些反应是人工策划的且有同行评审文献支持，涉及890种化合物，即底物或产物，还涉及597个p450，涵盖200多个物种，如图4a所示。这些反应涉及1225种化合物，这些化合物作为底物或产物，并且由200多种p450催化，如图4a所示。反应类型分布情况如图4b所示，其中氧化反应有1507个，还原反应有82个，分解反应有61个，组合反应有29个，取代反应有1个。图4c展示了反应位点的分布，显著表明大多数反应发生在CH3官能团（519个元素）和CH2官能团（486个元素）上。另外，有100多个反应发生在CHCH键以及芳香环基团的CH上。p450的生物分布情况如图4d所示，植物在p450中占比一半以上，数量为342个，p450总数是597个，其次是微生物，有137个p450，动物有118个p450。图4e展示了p450催化反应中参与化合物的分布，产物共有836个，底物有570个。需要注意的是，有181种化合物既能作为产物，又能作为底物 。图4f展示了P450s的长度分布情况，P450s序列长度在450至550个氨基酸之间的，超过了80% 。

P450Rdb具备一个对用户友好的web界面，它能让用户轻松查询p450及其催化反应。其导航栏可实现各种页面的快速访问，这些页面涵盖“搜索”、“Blast”、“浏览”、“下载”和“统计” 。P450Rdb的“搜索”页面提供了两个搜索选项，一个是“蛋白质搜索”，在这个选项中用户能够输入P450符号、Entrez ID或者UniProt ID，另一个是“化合物搜索”，在这个选项里用户可以输入底物或产品名称、PubChem CID或者配方。搜索结果汇总在“结果”页面的表格中(图5)。用户点击“更多”，能在“详细信息”页面访问特定蛋白质条目的详细信息。“详细信息”页面提供了与反应和P450相关的全面信息，其中包括反应中涉及的P450蛋白的详细信息，比如“P450符号”、“P450名称”、“基因ID”、“UniProt ID”、“物种”、“Txid”、“P450蛋白结构”和“蛋白质序列”，还包括反应信息，像“反应类型”、“反应位点”和方程式，也有底物/产物信息，例如“底物/产物名称”、“底物/产物化学式”、“substrate /Products PubChem CID”、“substrate /Products PubChem SID”、“substrate /Products Smiles”和“substrate /Products Structure”，另外还有与条目相关的参考文献，涵盖“PMIDs”、“Title”、“Journal”和出版年份 。此外，P450Rdb提供Blast web服务器，该服务器用于序列相似性搜索。用户能够在查询窗口中输入所查询的P450蛋白的蛋白序列，也就是Blastp。用户也能够在查询窗口中输入所查询的P450蛋白的核苷酸序列，即Blastx。“结果”表会显示Blast软件的三个指标，分别是identity、E-value、Bit-score，以此帮助用户评估序列的相似性。总的来说，P450Rdb提供了一个全面的平台，这个平台对用户很友好，能用来查询p450及其反应，方便用户高效地获取相关信息。

“浏览”页面，“下载”页面，“统计”页面，“帮助”页面，以及“提交”页面 。

P450Rdb提供“浏览”页面，能通过选择特定种类、反应类型以及反应位点，助力快速浏览某些类别的反应和p450，用户可通过单击“结果”表中的每个条目来查询详细信息，“下载”页面可使用户轻松下载p450、反应、化合物列表以及序列数据（fasta文件）用于非营利目的。“统计数据”页面借助各种统计图形呈现最新版本P450Rdb数据的详细情况。“帮助”页面给用户提供了操作P450Rdb数据库的分步教程。“帮助”页面给用户提供了查询P450Rdb数据库的分步教程。“帮助”页面给用户提供了浏览P450Rdb数据库的分步教程。另外，P450Rdb的集合必然无法涵盖P450s催化的所有反应。因此 我们提供了一个“提交”界面 目的是确保研究人员能够提交新反应 该新反应是由p450催化的 且未被本数据库记录 。

Discussion

P450Rdb为p450及其相应反应的存储、集成与分析提供了一个有价值的平台，能够加速p450的识别和应用研究。不过，它存在一些局限性。其一，P450Rdb未涵盖P450酶的Km、Ks和Kcat等动力学常数，其二，这是由于文献中多数P450酶缺乏明确的酶动力学实验 。其次，该数据库未提供与p450催化反应相关的具体条件方面的信息。原因在于，大多数研究主要聚焦于p450的鉴定以及生物学功能表征，却没有对其催化反应的详细信息展开深入研究。

尽管如此，我们致力于解决这些局限性，通过不断积累新的功能证据，积累p450及其反应的结果。我们会定期从出版物中收集p450及其相应的反应，用来更新P450Rdb。此外，我们会努力收集有关动力学常数和相关反应条件的信息，以此扩大数据库的覆盖范围。此外，我们的目标是扩大P450Rdb的范围，通过收集和整合涉及p4500s的生物合成途径来实现，进而促进与p4500s相关的功能解释以及合成生物学研究。

Conclusions

总的来说，P450Rdb目前编目了超过1600个反应，这些反应涉及约600个p450，这些p450来自200多个物种，涵盖植物、动物、真菌、细菌和古菌。同时，它提供了一个方便的界面，该界面提供大量信息，能帮助查询、浏览和分析p450及相应的反应。我们坚信，该数据库会极大推动p450的结构研究，也会极大推动p450的功能研究，还会为合成生物学的发展贡献力量，为生物制药的发展贡献力量，为环境科学的发展贡献力量，为酶工程的发展贡献力量。