脱羧缩合驱动了聚酮和脂肪酸的链延伸与核转位。然而，在反式酰基转移酶聚酮合酶（trans-AT PKSs）中，非延伸模块如何在无脱羧反应的情况下实现模块内聚酮链的核转位，这一机制仍不清楚。
2026年4月24日，武汉大学孙宇辉和华中科技大学翟贵发共同通讯在Nature Chemical Biology 在线发表题为“Condensation-independent intramodular translocation mechanism of the trans-AT polyketide synthase assembly line”的研究论文。该研究阐明了一种不依赖缩合的模块内核转位机制：非延伸模块内的KS0结构域作为转酰基酶发挥作用，直接将聚酮链转移至其下游的同源酰基载体蛋白（ACP）。
值得注意的是，trans-AT HtmA7固有的脱丙二酰基活性促进了ACP的有效回收，从而确保了模块内核转位的顺利进行。结构建模与定点诱变研究揭示了一个保守的KS0–ACP结合模式，该模式支撑了多种非延伸模块中的模块内核转位。此外，非延伸模块对聚酮中间体的严格识别，凸显了其在维持生物合成精确性与效率方面的关键作用。这些发现为trans-AT PKS中催化结构域之间的进化适应与复杂交互提供了机制性见解，阐明了代谢通量与保真度得以维持的方式，并为聚酮工程开辟了新途径。
模块化聚酮合酶（PKS）作为精密的装配线，利用共线性生物合成逻辑生成结构多样的天然产物，具有显著的药理学价值。根据酰基转移酶（AT）结构域的排列方式，这些系统大致分为顺式AT PKS和反式AT PKS两类。系统发育证据揭示了这两类PKS截然不同的进化轨迹：顺式AT PKS可能通过细菌祖先系统的垂直遗传和结构域复制演化而来，而反式AT PKS则通过水平基因转移（HGT）和重组事件出现，并获得了自主的AT酶。这种进化差异体现在这些PKS系统的遗传结构上。对于顺式AT系统，每个模块通常由酮合酶（KS）、AT和酰基载体蛋白（ACP）组成，部分模块还包含脱水酶（DH）、烯酰还原酶（ER）和酮还原酶（KR）结构域，并作为一个整合的功能单元运行。
AT结构域与模块共价连接，表现出严格的底物特异性，与其邻近的KS和修饰结构域的催化偏好相匹配，从而协调它们的活性以完成一轮链延伸。这种进化上的耦合确保了聚酮链延伸的每一步都以高度协调且可预测的方式进行，在保持生物合成保真度的同时限制了结构变异。相比之下，反式AT系统的结构刚性较为松弛；AT结构域与各个模块分离，一个独立的、反式作用的AT用于将酰基底物传递给跨多个模块的ACP结构域。由于频繁的重组和HGT事件，反式AT装配线呈现出由不同PKS基因簇之间模块或结构域交换形成的嵌合体样结构。这种交换常常扩展了系统的催化能力，使得在链延伸后能够引入在顺式AT系统中罕见的非经典修饰步骤。然而，反式AT PKS装配线固有的嵌合体和随机特性，常常导致模块或结构域之间的功能不一致，从而偏离经典的生物合成逻辑。
反式AT PKS的一个显著特征是它们普遍使用非延伸模块，这些模块的催化功能偏离了经典的链延伸过程。这些特化的模块通常具有额外的结构域，并在聚酮中间体修饰、模块内聚酮链核转位、链终止以及在诸如杆菌烯和氧肟霉素等化合物的生物合成过程中的结构多样化中发挥关键作用。延伸模块利用KS结构域进行脱羧缩合，而非延伸模块则含有KS0结构域，该结构域通常缺失HGTGT基序中保守的组氨酸残基，从而取消了脱羧缩合反应。经典KS结构域中脱羧活性位点的突变通常会导致模块处于机制上的停滞状态，此时聚酮链中间体和丙二酰延伸单元仍分别共价连接在KS及其下游同源ACP上。这最终会导致经典模块中PKS装配线的灾难性崩溃。相反，在非延伸模块中，从无脱羧活性的KS0到其下游同源ACP的不依赖于缩合的模块内转位机制，可能代表了一种进化上的保障措施，以维持通过装配线的生物合成通量。虽然这一转位过程已在体外得到证实，但不依赖于缩合的模块内聚酮链转位机制的更多细节仍有待阐明。这促使作者对非延伸模块中不依赖于缩合的模块内转位机制进行详细研究。
图1. 提出了HTM PKS装配线中伸长和非伸长模块的催化机理（摘自Nature Chemical Biology ）
来自Streptomyces spectabilis CCTCC M2017417的杭泰霉素（HTM）生物合成途径是研究非延伸模块中这些不依赖于缩合的模块内转位机制的一个引人注目的系统。HTM生物合成途径中的非延伸模块3催化了Z型双键的形成，而不伴随链延伸。进一步的分析提示，在关键的PKS-非核糖体肽合成酶（NRPS）连接点处存在其他非延伸模块（4、7和14）。引人注目的是，尽管模块4中的KS4保留了保守的催化组氨酸，但该模块仍然不能进行缩合反应，这一现象也在剑兰霉素的生物合成中观察到，对当前的机制理解提出了挑战。这突显了仅包含KS0和ACP结构域的非延伸模块的功能复杂性，其精确的催化作用和进化必要性仍不清楚。
在此，作者旨在通过对HTM生物合成的系统研究，阐明非延伸模块所依赖的不依赖于缩合的模块内转位机制。阐明这一机制将增进对聚酮链修饰和非经典模块内聚酮链转位的基本理解，从而填补反式AT PKS酶学中的关键知识空白。此外，这将为合理设计PKS装配线以生成分子骨架提供潜在策略，为创新性生物技术应用铺平道路。
参考消息：https://www.nature.com/articles/s41589-026-02209-x