北京時(shí)間2024年11月6日，生命過(guò)程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉文課題組在Nature Synthesis上在線發(fā)表了題為“Analysis of siderochelin biosynthesis reveals that a type II polyketide synthase catalyses diketide formation”的研究成果（https://www.nature.com/articles/s44160-024-00677-4）。該工作報(bào)道了一類(lèi)以甲基丙二酰輔酶A為羧基底物（延伸單元）催化二酮單元形成的新型II型聚酮合酶（PKS），在打破了40年來(lái)對(duì)II型PKSs延伸單元單一性的認(rèn)知，并豐富了對(duì)天然產(chǎn)物和生物學(xué)共進(jìn)化的理解，為聚酮類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)多樣性的發(fā)展與應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
II型PKSs是多酶復(fù)合物，通過(guò)催化迭代的脫羧縮合反應(yīng)形成具有廣泛藥理學(xué)活性的聚酮類(lèi)天然產(chǎn)物，例如臨床上使用的廣譜性抗菌藥四環(huán)素和抗腫瘤藥柔紅霉素等。1984年，著名的微生物學(xué)家David Alan Hopwood教授首次報(bào)道了II型聚酮類(lèi)天然產(chǎn)物放線菌紅素的生物合成基因簇（Nature.?1984,?309, 462），從此開(kāi)啟了聚酮類(lèi)天然產(chǎn)物生物合成的新篇章。直至今日，已知的II型PKSs均嚴(yán)格使用丙二酰輔酶A為延伸單元進(jìn)行脫羧縮合，導(dǎo)致在聚酮鏈延伸過(guò)程缺乏α-烷基化，極大限制了該類(lèi)聚酮天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性。
上海有機(jī)所劉文課題組長(zhǎng)期從事聚酮、聚肽類(lèi)天然產(chǎn)物相關(guān)的裝配線化學(xué)的研究，建立了高效、可靠的裝配線化學(xué)研究方法，并深入揭示裝配線上特殊的修飾蛋白招募機(jī)制、環(huán)化機(jī)制、糖苷單元形成機(jī)制等新穎的裝配線化學(xué)（J. Am. Chem. Soc.?2021,143, 19719; J. Am. Chem. Soc.?2022,?144,?14945；J. Am. Chem. Soc.?2023,145, 5017;?Nat. Chem.2023,?15, 177）?；谘b配線化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)積累及前期本課題組報(bào)道含有2, 2’-聯(lián)吡啶結(jié)構(gòu)天然產(chǎn)物caerulomycin（CAE）和collismycin（COL）的生物合成研究（Nature Commucation,?2021, 12, 3124），劉文課題組從CAE和COL中吡啶單元生物合成關(guān)鍵酶CaeP1和CaeP2出發(fā)，通過(guò)基因組挖掘手段確定吡咯聯(lián)吡啶類(lèi)天然產(chǎn)物——絡(luò)鐵菌素（SIDs）的生物合成基因簇，并在其中發(fā)現(xiàn)一類(lèi)特殊的II型PKS。它催化甲基丙二酰輔酶A（延伸單元）與3-羥基吡啶甲酸（3-HPA，起始單元）發(fā)生脫羧縮合，合成吡咯環(huán)的二酮結(jié)構(gòu)單元。通過(guò)基因敲除、同位素喂養(yǎng)及體外生化實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)闡明了該II型PKS的催化邏輯：腺苷酰化酶催化3-HPA與ATP的反應(yīng)生成3-HPA-AMP，由?；D(zhuǎn)移酶（AT）催化其上載至酰基載體蛋白（ACP），隨后通過(guò)硫酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)移至酮基合成酶（KS），形成3-HPA-S-KS。同一套AT和ACP還負(fù)責(zé)甲基丙二酰輔酶A的上載，隨后KS催化這兩個(gè)非丙二酰羧基底物的脫羧縮合（圖1）。此外，該II型PKS具備強(qiáng)大的底物兼容性和可進(jìn)化性，可以催化α-烷基化修飾各異的延伸單元和環(huán)系各異的啟始單元發(fā)生脫羧縮合反應(yīng)，對(duì)KS的定向改造則可進(jìn)一步提高其底物耐受性。
該研究報(bào)道了一類(lèi)以甲基丙二酰輔酶A為延伸單元催化二酮結(jié)構(gòu)形成的新型II型PKS，闡明了其中的催化邏輯，并拓展了該套體系對(duì)多種羧基底物的高相容性及對(duì)“非天然/不識(shí)別”底物的可進(jìn)化性。該工作不僅豐富了PKSs酶學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)知，加速了聚酮類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)多樣性的發(fā)展與應(yīng)用，同時(shí)也為小分子與生物體共進(jìn)化理論的推進(jìn)提供了新的思路。上海有機(jī)所劉文團(tuán)隊(duì)錢(qián)瑤博士，郜僅敏博士（現(xiàn)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校博士后）為該論文的共同第一作者，上海有機(jī)所劉文研究員為通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
圖1 絡(luò)鐵菌素生物合成途徑中新型II型聚酮合酶催化的二酮單元形成
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