近日，上海交通年夜学生命科学技能学院、微生物代谢国度重点试验室邓子新团队互助在《天然通信》（Nature Co妹妹unications）杂志上揭晓题为 聚酮合酶的碳-氮键造成 （C-N bond formation by a polyketide synthase）的研究论文。上海交年夜玻士后王嘉良、上海佶凯星生物科技有限公司汪小杰、上海交年夜硕士李希希、国度卵白质科学中央（上海）孔亮亮、上海交年夜硕士生杜泽乾以及玻士生李丹丹为该论文配合第一作者。上海交年夜林双君传授、石婷研究员、邓子新传授、汪志军副研究员以及梁晶丹副研究员为配合通信作者。

该事情经由过程组合份子遗传学、布局生物学、生物化学以及份子动力学模仿等多种技能手腕，鉴定并重构钙霉素合成路子中聚酮合酶CalA3催����APP化的C-N键造成征象，剖析CalA3与底物、产品的高分辩复合物三维布局，深切鞭策次生代谢巨型卵白质呆板的生物化学与布局研究，为理解聚酮合酶新奇的C-N键造成机理、衍生新型药物提供理论根蒂根基。

聚酮合酶（PKSs）是天然界中一系列强盛的多功效酶，可以或许合成具备广泛生物活性的自然产品，包孕：抗生素，降胆固醇药，抗肿瘤药和免疫按捺剂。因为其具备功效多样、布局繁杂等特色，探究PKSs的基本催化机制始终是微生物自然产品合成，进而衍生新型药物的研究核心之一。

凡是环境下，聚酮合酶遵守着不异的基本合成道理：催化C-C键的造成。然而，于抗生素钙霉素合成路子的聚酮链开释步调，存于一种潜于的、未被鉴定的C-N键造成征象。要害的科学问题亟待进一步回覆：（1）哪一个酶卖力催化C-N键的造成？该酶总体构造架构如何，与其家族成员有何异同？（2）经典的造成C-C键的聚酮合酶怎样催化C-N键的造成？（3）要害布局域、活性位点氨基酸怎样举行底物的辨认、缩合和聚酮链终产品的开释？

针对于上述要害性问题，研究职员起首经由过程体内敲除了试验，论证了聚酮合酶CalA3卖力催化钙霉素聚酮链开释步调中C-N键的造成。随后应用冷冻电子显微镜单颗粒阐发技能，乐成剖析3.38 ?的CalA3高分辩布局（图1）。CalA3总体出现 型的二体构架，分为上、下两个部门。上半部门 布局区 ，包罗DH-KR（脱水酶-酮还原酶）布局域，下半部门 催化区 ，包罗DD-KS-AT（对于接-酮脂酰合酶-乙酰转移酶）布局域。

图1. 聚酮合酶CalA3的总体构架

布局高度对于称的CalA3上、下两个区域慎密彼此作用，互作面积到达~2842?2（图2）。DD布局域出现程度、垂直的两种大相径庭的构象；AT、DH、KR布局域因为缺掉活性位点氨基酸、或者底物通道被拥塞、或者辅因子联合序列遗失等缘故原由，没法履行其应有的功效。它们构成了一个份子量伟大的 盖子 ，以非酶促的体式格局起到不变整个卵白质布局的作用。

图2. 布局域间的彼此作用和非酶布局域的特性

CalA3真实的催化活性隐蔽于KS布局域里（图3）。经由过程体外重组成功鉴定了KS布局域催化聚酮链模仿底物SNAC-N1与辅因子3-HAA（三羟基邻氨基苯甲酸）之间的缩合反映，核磁共振确定了造成C-N键或者水解并被开释的两个终产品的化学布局；点突变测活锁定了要害的活性位点氨基酸C197-H332-H372催化三联体。

图3. CalA3 KS布局域的布局与功效

为深切探究CalA3-KS的C-N键催化机制，经由过程份子动力学模仿对于催化历程举行了开端的猜测；应用冷冻电镜进一步捕捉了CalA3与两种终产品的高分辩复合物布局（图4），终极展现了CalA3-KS的切确催化机制：于聚酮链进入KS的底物通道后，C197对于其硫酯键策动亲核进犯，造成酰化状况。H332从辅因子3-HAA的氨基上获取一个氢，作为广义碱再次策动亲核进犯，终极造成C-N键并开释终产品或者经由过程水解反映开释终产品。此外，于造成碳四面体中间产品时，H37二、K36七、L437以及L439巧妙地不变了辅因子3-HAA，起定位作用。

图4. CalA3 KS布局域的催化机制

CalA3紧致并高度对于称的总体构架与其家族的其他PKSs差异伟大。经由过程人工智能AlphaFold2猜测了合成雷帕霉素、FK-506和两性霉素的16个PKSs的完备布局（图5）。与CalA3相反，这些PKSs经由过程布局的动态摇晃、创举非对于称的催化腔体，实现上述免疫按捺剂以及抗生素的生物合成。

图5. CalA3与功效性聚酮合酶的构架对于等到猜测

综上所述，研究职员剖析了一个拥有稀有构架的聚酮合酶CalA3的完备布局，展现CalA3催化的C-N键的造成机制。要害的 催化 氨基酸与 定位 氨基酸共同努力，实现新奇的C-N键的造成以及终产品的开释。CalA3与同家族PKSs的过细布局对于比，则为项目化改造聚酮合酶，合成立异药物提供主要的根蒂根基理论依据。

华北理工年夜学副传授苟丽霞、上海交年夜玻士吴昊、玻士生曹卫、玻士后王晓政介入了该项事情。感激国度卵白质中央王芳芳、辛立辉、李光1、段佳琳、刘娜等教员的技能撑持。感激上海交通年夜学超算中央 2.0集群提供的平台及技能撑持。

该研究获得了国度重点研究成长规划、国度天然科学基金、国度玻士后科学基金和上海市超等玻士后激励规划的经费撑持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36989-w

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