聚酮合酶

聚酮化合物（polyketides）PKSPKS是由细菌、放线菌、真菌或植物产生的一大类天然产物，包括大环内酯类、四环素类、蒽环类、聚醚类等化合物。这些天然产物具有抗感染、抗真菌、抗肿瘤、免疫抑制等活性。红霉素（erythromycin）、利福霉素（rifamycin）、四环素（tetracycline）、两性霉素（amphotericin）等用作抗生素；多柔比星（doxorubicin）、埃博霉素（epothilone）、光辉霉素（mithramycin）、等用作抗肿瘤药物；洛伐他汀（lovastatin）和普伐他汀（pravastatin）用作降血脂药物；雷帕霉素(rapamycin）用作免疫抑制剂；阿弗菌素（avermectin）莫能霉素（monensin）泰乐菌素（tylosin）等在农牧业中的应用也较广泛聚酮化合物在临床上应用广泛尽管聚酮化合物的化学结构不同，但其生物合成机制基本相似.催化这一过程的酶是聚酮化合物合成酶（polyketidesynthase，PKS）目前PKS大致可以分为3个类型，即PKSⅠ（模块型）PKSⅡ（迭代型）PKSⅢ（查尔酮型）PKS的各种活性分别由其蛋白质组成模块来完成，不同来源PKS的蛋白质模块可能不同，因而产生的聚酮化合物化学结构也不同。PKSⅠⅠ型聚酮合酶是迄今研究最深入、最透彻的聚酮化合物合成酶，进一步可以分为2种.非重复利用多模块Ⅰ型聚酮合酶（mPKS，图A）重复利用单模块Ⅰ型聚酮合酶（iPKS，图B）Ⅰ型聚酮合酶一般是由呈线性排列并共价结合的几个结构域组成的多功能蛋白其中每个结构域在聚酮化合物链的延伸过程中只参与一次反应.而一轮反应中所有的功能结构域合成一个结构单元编码这个合成单元的DNA称为模块（module）Ⅰ型聚酮合酶的各个功能单元呈线性排列酰基转移酶（acyltransferase，AT）、酰基载体蛋白（acylcarrierprotein，ACP）、酮脂酰合酶（ketoacylsynthase，KS）、酮还原酶（ketoreductase，KR）、脱水酶（dehydratase，DH）、烯酰还原酶（enoylreductase，ER）和硫脂酶（thioesterase，TE）。分别为Ⅰ型聚酮合酶首先由ACP将乙酰辅酶A活化的起始单位或延伸单位作为底物，（乙酸、丙二酸和丁酸等多种简单羧酸）经过KS的缩合反应，将不同的羧酸起始或延伸单位进行组装，不断地从一个酰基载体蛋白ACP到下一个模块，聚酮链也不断得到延伸。在链延伸过程中根据模块组成的不同和指令要求，在其他不同的DH、ER的作用下相应地进行还原，形成β-羟酯键，或脱水形成α，β-烯醇酯键，或进一步还原形成饱和亚甲基，直至达到终点，最后在TE的作用下，聚酮前体从PKS上脱落下来。属于PKSⅠ的聚酮产物包括雷帕霉素、红霉素、利福霉素、阿维菌素、洛伐他汀和埃博霉素尽管各种聚酮化合物结构各异，PKS模块的底物特异性决定了Ⅰ型PKS对起始单位和延长单位的选择，而PKS每个模块上还原结构域的种类则使聚酮产物得到不同程度的还原。复合聚酮化合物结构的多样性来自聚酮骨架组成单位的多样性和每个碳单位的不同还原程度。这意味着聚酮化合物的结构具有相当大的可塑性。，故可通过模块内或模块间的合理重组，设计出新基因（簇）组成或新的生物合成途径，合成大量新的聚酮化合物，为新药开发提供物质基础。PKSⅡⅡ型聚酮合酶由几个独立的酶组成众多的PKSⅡ基因簇研究显示该聚酮合酶主要催化芳香聚酮化合物的生物合成Ⅱ型聚酮化合物的碳骨架部分是由最小迭代用酶（minimalPKS）催化的minimalPKS由2个酮酰合酶单元组成的异源二聚体（KSα和KSβ）和1个ACP构成（图C）。Ⅱ型聚酮合酶亚单位中还包括KR、环化酶（cyclase，CYC）和芳香化酶（aromatases，ARO）这些酶类决定了初始聚酮化合物的折叠模式。乙酰辅酶A通常作为Ⅱ型聚酮化合物的起始单位，丙二酰辅酶A则作为延伸单位。KSα和KSβ亚单位中，两者显示出高度序列相似性。然而，与KSα相比，KSβ结构中缺乏一个半胱氨酸活性位点，该位点在聚酮化合物装配过程中起关键作用；但KSβ在碳链长度方面起着重要的作用，因此被称为链长因子（chainlengthfactor，CLF）PKSⅢⅢ型聚酮合酶是一种重复使用的亚基分子大小为40×10^3~47×10^3的同源二聚体自主式合酶（图D），能直接催化泛酞辅酶A间的缩合，形成单环或双环芳香类聚酮化合物。尽管Ⅲ型聚酮合酶的结构简单，但能合成种类广泛的酮类化合物，如查尔酮类、吡喃酮类、丫啶酮类等Ⅲ型聚酮合酶广泛存在于植物、细菌中，甚至真菌中也存在。对植物中Ⅲ型聚酮合酶的研究较为广泛。查尔酮合成酶为经典代表。（chalconesyn-thaw，CHS）CHS以4-香豆酰-CoA为起始单元，3分子丙二酸-CoA作为底物，连续完成3步脱羧醇醛缩合，形成的四酮中间体经环化生成柚配基查尔酮（naringeninchalcone），该化合物是植物黄酮和花青苷类色素的前体。Ⅲ型聚酮合酶从次级代谢产物的信号分子到生物活性的天然产物的生物合成中发挥着重要作用。与Ⅰ、Ⅱ型聚酮合酶相比Ⅲ型聚酮合酶分子小、结构简单，同时仍然保持聚酮链的延伸和环化功能。对Ⅲ型聚酮合酶的深入研究，有可能揭示未知的生物合成途径，并产生有用的天然产物。聚酮化合物的异源表达聚酮化合物是临床上使用较广泛的一类天然产物，主要用于抗微生物、抗肿瘤方面。由于该类化合物生物合成途径中延伸单位、链长度、修饰水平的不同，导致了其结构的多样性和数量的极其庞大。2.1大环内酯类大环内酯类（macrolides）化合物由Ⅰ型聚酮合酶装配合成。大环内酯类化合物依据其内酯环的原子数目可分为12、14、15和16环等。该类化合物在临床上具有抗菌、抗肿瘤、免疫抑制等生物活性。2.2四环素类四环素类（tetracycline）药物是抑制细菌蛋白合成的一大类广谱抗生素，广泛用于多种细菌及立克次体、衣原体、支原体等感染所致疾病。四环素类药物由Ⅱ型聚酮合酶途径合成，该类化合物的结构多样性主要源于聚酮合成后的修饰。2.3蒽环类蒽环类（anthracycine）化合物由Ⅱ型聚酮合酶合成。该类化合物在肿瘤治疗方面发挥重要作用，例如在治疗急性非淋巴细胞性白血病、恶性淋巴瘤、肉瘤、乳腺癌等方面具有良好的治疗效果。2.4聚醚类聚醚类（polyether）化合物一般由Ⅰ型聚酮合酶合成。3异源表达宿主一般要求具备以下条件：①异源宿主本身不含或已缺失相应聚酮合酶基因，避免宿主本身聚酮合酶的背景干扰；②宿主不能存在剪切外源表达酶的相关剪切酶；③宿主能大量表达相当大的聚酮合酶蛋白（相对分子质量≥300×10^3）；④宿主能翻译后修饰蛋白；⑤宿主能提供大量的乙酰CoA、丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA等聚酮合成起始单元。一些主要聚酮类化合物合成途径参与土曲霉洛伐他汀合成途径的酶包括:两个多聚乙酰合成酶洛伐他汀二酮体合成酶（lovastatindiketonesynthetase，LDKS)和洛伐他汀九酮体合成酶（lovastatinnonaketidesynthetaseLNKS)〔分别由lovB和lovF基因编码)、转酯酶〔由lovD基因编码)、烯酯酰还原酶〔由lovC基因编码)和P450单加氧酶〔由lovA基因编码)其具体合成途径如图1所示。LNKS和LDKS均含有酮合成酶（ketosynthase，KS)、酞基转移酶（acyltransfarase，AT)、酮还原酶（ketoreductase，KR）、脱水酶（dehydratase，DH),酞基载体蛋白(acylcarrierprotein，ACP)及甲基转移酶(methyltransferase，MeT)功能域，并分别参与合成洛伐他汀九酮主体和二酮侧链，再由lovD编码的转酯酶将二者连接起来合成洛伐他汀红曲色素广泛应用于腌制品和肉制品的着色防腐，具有保健功效和药用价值，在世界各地都有巨大的市场，在东南亚国家的应用尤为广泛.G首先由1mol丁烯酰辅酶A(coenzymeA，CoA)和4mol丙二酰CoA在聚酮合酶的作用下生成六聚酮化合物，随后由脂肪酸生物合成途径产生的己酸与六酮聚酮化合物经醛醇缩合。最后，经脱水反应生成红曲玉红素。在过去几十年中，聚酮化合物的开发大多采用筛选环境微生物活性的传统方法，其流程包括微生物分离纯化、大量培养、培养物收集、目标化合物抽提、鉴定及开发利用。但通过这种方法化合物重复发现的概率极高，且由于培养基配方引起活性次级代谢产物产量低下或者靶点局限造成漏筛的现象十分普遍。于是，人们通过基因定向筛选从自然界中获得产生目标活性化合物的菌种资源，并对不需要的重复的化合物产生菌进行早期鉴别和定向剔除，既可节省大量的精制、结构解析和分析时间，又能节约经费，大大提高工作效率。细菌是大量聚酮类、非核糖体肽类、萜类、黄酮类化合物的重要来源，发酵是获得这些化合物的重要手段之一。通过原始菌株生产天然产物最大的挑战是从微生物中分离原始菌株。许多产生天然产物的微生物不能从土壤中分离出来，原因是99%的微生物离开它们自然的环境就不能生长。因此，异源表达将解决这样的问题。TheEnd制作人：乔士达