生命科学学院戈惠明团队揭示特殊迭代式trans-AT聚酮合酶的作用机制

　　

Trans-AT 聚酮合成酶（PKSs）是一类能够合成大量结构特殊、活性多样的聚酮分子的酶。这些酶中同时存在多种特殊模块或结构域，如β-分支模块、分支结构域和BV氧化结构域等，可在装配线上直接对延伸的聚酮骨架进行修饰，增加产物的结构多样性。然而，在trans-AT PKS的非经典催化过程中，单一模块或功能域的迭代使用过程尤为特殊。Lankacidin类天然产物是含大环内酯结构的聚酮肽杂合类天然产物，具有抗菌、抗肿瘤等活性，同样是由trans-AT PKS合成。前人研究发现，在lankacidin类天然产物的生物合成过程中，四个trans-AT聚酮合酶模块却负责八轮聚酮骨架的延伸，因此学术界长久以来认为该trans-AT PKS进行了未知的迭代作用，但一直没有找到证据。

图a、优良活性的trans-AT聚酮分子；b、trans-AT聚酮合酶CheC的特殊迭代作用方式 

为解决这一谜题，该研究团队通过蛋白质异源表达和体外生化反应，成功重建了整个trans-AT聚酮合酶生物合成途径，搭建了体外生成系统。通过化学合成潜在中间体、体外重构和捕获生物合成中间体，阐明了trans-AT聚酮合成酶在lankacidin类天然产物生物合成中的特殊迭代作用。此外，还对trans-AT PKS中跨模块作用的MT结构域、冗余的KS-ACP结构域等进行了功能表征。以经典I型聚酮的“模块化思维”对trans-AT聚酮合酶进行拆分和重构，并体外对新产生的模块化trans-AT PKS进行功能验证。将全部trans-AT聚酮合酶进行融合，产生出~763 KDa的重组酶并在大肠杆菌中实现了相应天然产物的生产，为trans-AT PKS的特殊迭代作用过程提供了直接实验证据。进一步研究表明，CheC酶具有独特的KR–MT–ACP–ACP–KS–DH结构域，这一结构不仅能够与前后的trans-AT聚酮合酶线性协作，构成完全功能的模块，而且还能通过潜在的环形结构自行组装成一个非常规模块，促进生物合成过程中多轮聚酮延伸。该研究挑战了传统的线性聚酮合酶的合成机制，揭示了trans-AT聚酮合酶在生物合成中的新功能，为未来trans-AT聚酮合酶的合理设计和工程化改造提供了新的思路，也为聚酮肽杂合类天然产物的新药研发提供充足原料。

南京大学生命科学学院麦振鹏博士为论文第一作者，戈惠明教授、谭仁祥教授和张博副教授为共同通讯，研究成果以“Lankacidin天然产物生物合成中trans-AT聚酮合酶的独特作用机制研究（Insight into the role of a trans-AT polyketide synthase in the biosynthesis of lankacidin-type natural products）”为题，近期正式发表于国际学术期刊《自然?合成》（Nature Synthesis）杂志。论文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00599-1。研究得到了基金委、科技部等的资助。