近日，《Nature Chemical Biology》（自然·化学生物学）在线发表了关于链霉菌活性天然产物生物合成中聚酮合酶（Polyketide synthase, PKS）的最新研究进展，揭示了其中trans-AT型PKS非脱羧缩合依赖的模块内聚酮链中间体传递机制（图1）。
模块化PKS作为生物高度精密的分子装配线，负责催化合成诸多具有重要生物活性的次级代谢产物。依据其酰基转移酶(Acyltransferase, AT)结构域的物理组织形式，PKS可以划分为cis-AT与trans-AT型两种类型。相较于呈现高度结构与功能共线性规律的cis-AT型PKS，trans-AT型PKS的演化轨迹伴随着水平基因转移与基因重组，呈现出一种高度“马赛克”式的模块化组装特征。正因如此，在trans-AT型PKS中，广泛存在着一种特殊的不具有碳链延伸功能的非延伸模块（Nonelongating module）。在这类模块中，负责聚酮链延伸与传递的酮脂酰合酶（Ketosynthase, KS）结构域的关键催化三联体，通常自发突变为完全丧失了碳链延伸所必需的脱羧缩合功能的KS0结构域。然而即使如此，非延伸模块的KS0与ACP结构域却依旧能精准介导模块内非脱羧依赖的聚酮链传递。这促使我们重新审视其内在的运行规律：在缺乏脱羧缩合的情况下，如何抵御游离型AT蛋白对酰基载体蛋白（Acyl carrier protein, ACP）的丙二酰化干扰，以及KS0与ACP结构域究竟演化出了怎样独特的非经典机制，从而实现了聚酮链中间体在装配线上的正常传递？
链霉菌Streptomyces spectabilisCCTCC M2017417所产生的具有保肝、抗炎及抗成瘾重要活性的聚酮/非核糖体肽天然产物——杭泰霉素（Hangtaimycin,HTM），这一trans-AT型PKS模块3、4、7、14中存在的KS0结构域为探索聚酮链转运机制提供了一个理想的研究场景（图2）。在团队前期的研究中已证实HTM的PKS装配线中的非延伸模块3可催化Z型双键的形成而不伴随链延伸。尤其值得关注的是，模块4中的KS0 4虽保留了保守的催化组氨酸，却仍然表现为无脱羧缩合功能。究其本质，是何种分子机制在剥夺其经典脱羧缩合与链延伸能力的同时，又赋予了KS0结构域延伸模块所不具备的、独立于脱羧反应之外的模块内聚酮链转运新功能？
图2.HTM生物合成模型示意图
为解答上述问题，通过体内遗传学手段，该研究首先探究了非延伸模块4、7和14在HTM生物合成中聚酮链中间体的传递功能，证明了模块4和14是HTM合成所必须聚酮链传递模块单元；同时利用体外酶学手段，该研究重构了聚酮链中间体在模块2、3和4内的传递模型，证明在非延伸模块单元中，KS0能够将聚酮链中间体通过非脱羧依赖的方式直接传递至下游的ACP结构域；且该传递行为严格依赖于ACP处于未被酰基化修饰的状态（holo-ACP）。
然而，通常情况下，装配线中存在的游离型trans-ATHtmA7能够高效地实现装配线模块单元中ACP的丙二酰化修饰，但trans-ATHtmA7这一固有的延伸单元加载活性似乎与KS0介导的模块内非脱羧依赖的聚酮链转运活性呈现出了矛盾性反应特征。这不禁引人深思，trans-ATHtmA7是否可能并不具备对非延伸模块单元中ACP丙二酰化修饰的功能呢？出乎意料的是，体外生物化学结果表明，trans-ATHtmA7不仅能够高效实现延伸模块单元中ACP丙二酰化修饰，还具有催化非延伸模块单元中ACP丙二酰化的能力。
为破解这一矛盾，该研究设计了竞争性反应体系和时序实验，精细追踪trans-ATHtmA7催化的延伸单元加载与KS0催化的聚酮链转运在共存体系中的动力学反应过程。结果表明在实验条件下，KS0 4催化的聚酮链转运似乎优先于trans-ATHtmA7催化的丙二酰化修饰。进一步分析其反应进程，发现反应体系内malonyl-ACP呈现出了先积累后减少的反常现象，这暗示体系内malonyl-ACP水解过程的存在。基于此，推测体系中trans-ATHtmA7具有可逆性水解ACP上丙二酰基的活性。为了证明该猜想，该研究利用来自于延伸模块及非延伸模块中的malonyl-ACP作为底物，系统性探究了trans-ATHtmA7逆向水解功能，结果表明trans-ATHtmA7能够高效实现不同来源malonyl-ACP的水解，且呈现出了丙二酰辅酶A浓度依赖的反应特征。进一步地，该研究构建了以malonyl-ACP为底物的聚酮链转运反应体系，结果证明了trans-ATHtmA7能够有效调控ACP的动态性丙二酰化修饰，从而为KS0介导的模块内聚酮链转运提供底物保障。这一“水解校正”机制有效解决了延伸模块需要丙二酰化、非延伸模块需要holo-ACP的解耦性反应过程（图3）。
图3.酰基转移酶trans-ATHtmA7动态调控ACP酰基化修饰循环示意图
然而，上述实验结果仍未解答为何人为失活具有延伸功能的KS结构域仍不能实现使其像KS0那样，具有模块内非脱羧依赖的聚酮链转运功能。通过体外酶学手段，该研究发现体外在无下游竞争性结构域存在的情况下，聚酮链可以被高效地从下游KSn逆向传递至上游ACPn-1结构域。该结果暗示模块内及模块间聚酮链传递可能采用了相似的催化机制。因此，该研究利用AlphaFold3及计算化学手段构建了延伸模块单元及非延伸模块单元中KS与上下游ACP结构域的互作模型。该研究发现，延伸模块单元中KS与上下游ACP形成了两种不同的结合模式，一种是ACPloop1介导的聚酮链延伸结合模式，另一种是ACPloop2介导的聚酮链转运结合模式（图4）；然而，在非延伸模块中KS与上下游均形成了相似的聚酮链转运结合模式。进一步地，ACP体外点突变实验证明了KS-ACP结合模式调控下的可切换式反应模式，同时，揭示了非延伸模块中KS-ACP以非经典的聚酮链转运结合模式介导了非脱羧依赖的聚酮链转运过程。
图4. HTM PKS中KS-ATd分别与上下游ACP的结合预测模型
为进一步揭示非延伸模块进化的生物学逻辑，该研究在体外重构了模块3至模块4的中间体传递过程。结果表明，KS0 4特异性地识别由DH3作用于(E)-3-hydroxyhex-4-enoyl-ACP3生成的脱水产物——(2Z,4E)-hexa-2,4-dienoyl-ACP3（图4）。KS0 4的这种底物特异性使其充当了“守门员（Gatekeeper）”的角色，确保聚酮链中间体的精准传递过程，从而维持了HTM生物合成的高保真度。
图5. HTM PKS中非延伸模块单元工作模型
综上所述，该研究阐明了HTM PKS装配线中非延伸模块催化非脱羧缩合依赖的聚酮链转运机制，建立了trans-AT型PKS装配线中多结构域通过功能协同实现聚酮化合物高效性及保真性合成的工作模型（图5），加深了对PKS装配线复杂运行逻辑的认知，特别是非延伸模块内KS-ACP结合模式和独特催化机制的理解，为基于组合生物合成策略理性设计和改造PKS产物结构多样性提供了理论基础和技术思路。
学院孙宇辉教授及其团队成员翟贵发副教授为该论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-026-02209-x
