中外学者Science最新发文：聚酮合酶（PKS）的结构新细节

　　

自然界是神奇的，细胞如同建造大师，能够精准地制造结构复杂的药效分子。其中，聚酮合酶 (polyketide synthases，PKS) 是一种多功能酶，合成了自然界中多种聚酮化合物，包括抗生素、抗肿瘤、免疫抑制剂等天然产物。大多数的聚酮合酶由多个二聚体模块组成，可包含多达30个模块，称之为装配线，用于添加和修改不断增长的分子链（图1）。这些装配线是非常复杂的分子机器，多个组件必须在精确的时空调控下正确组装，因此获得组装过程中每个阶段的结构对于研究其装配作用机制非常重要。

图1：DEBS装配工作站模型

11月5日，斯坦福大学Dillon Cogan博士和中国科学技术大学细胞动力学教育部重点实验室、生医部张凯铭研究员合作在《Science》杂志上发表了题为“Mapping the catalytic conformations of an assembly-line polyketide synthase module”的学术论文，解析了Saccharopolyspora erythraea生产红霉素装配线6-deoxyerythronolide B 合酶（DEBS）的冷冻电镜结构，揭示了其如何推动分子链的不断组装增长的理论支持。

 中国科学技术大学生医部研究员张凯铭博士从2017年在斯坦福大学Wah Chiu教授实验室就开始了聚酮合酶PKS的相关研究，在该项研究工作中是解析其冷冻电镜结构的主要负责人。他利用冷冻电镜技术将装配过程中的样品冰冻在适当的状态，发掘多种不同形式的组装结构。经过多年的努力，科研人员解析了多个DEBS 模块1（3.2-4.3 ?）的近原子分辨率结构，清晰展示氨基酸侧链等结构细节。在结构中他们观察到了一些意想不到的结果：PKS的每个模块都由成对的酶组成，其中一对是从侧面伸出的两个分子臂。前人研究认为这对手臂互为镜像，具有二聚体的对称性。但张凯铭博士解析的结构发现其中一只手臂伸出，而另一只手臂向下弯曲，科研人员很快意识到他们观察到的结构实际上是运行中的模块。弯曲的手臂似乎像旋转门一样运作，让进入的分子等待，直到模块释放它正在处理的分子。弯曲臂被限制的能量可能有助于将分子推进到装配线的下一个阶段。

图2：三个不对称的PKS冷冻电镜结构。

 斯坦福大学、中国科学技术大学和首尔大学研究团队合作完成该工作，斯坦福大学博士后Dillon Cogan和中科大生医部张凯铭研究员为本文共同第一作者，斯坦福大学Chaitan Khosla教授和Wah Chiu教授为本文共同通讯作者。

此外，同期的《Science》杂志上，德克萨斯大学El Paso分校Chu-Young Kim教授、SLAC科学家Irimpan Mathews和康奈尔大学的同事解析了细菌Streptomyces lasalocidi负责生产拉沙里菌素（lasalocid A）的装配线，获得了类似的非对称复合体结构。来自两个不同实验室研究得到了类似结论，支持了该结果可能扩展到其他PKS装配线的想法。在自然界中拥有数千条这样的装配线，它们可以制造出独特的化合物。科学家的梦想是有一天能够重新组合来自不同装配线的零件，这样就可以制造出更加有用的药用化合物。

 原文链接：http://doi.org/10.1126/science.abi8358

 （中国科学技术大学细胞动力学教育部重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生医部、科研部）