近日，微生物代谢全国重点实验室与生命科学技术学院瞿旭东团队在国际期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）发表了题为“Iterative enoyl reduction by a FabV-family enzyme expands the chemical landscape of discrete polyketide synthases”的研究论文。上海交通大学博士生高焱为本文第一作者，瞿旭东教授为通讯作者，本室为第一通讯单位。
研究背景
聚酮类天然产物具有高度的结构多样性，其生物合成依赖于聚酮合酶（PKS）对碳链的逐步延伸与修饰。根据组织方式的不同，PKS可分为模块型和离散型等类型。模块型I型PKS通常在每个延伸模块中整合酮基还原酶（KR）、脱水酶（DH）和烯酰还原酶（ER）等还原结构域，从而精确调控聚酮链不同位点的氧化还原状态。相比之下，离散型PKS由多个功能独立的酶组成，通常缺乏专门的ER模块。因此，这类体系产生的聚酮产物往往以不饱和聚烯烃或芳香结构为主，难以形成高度饱和的聚酮骨架。长期以来，这一现象构成了离散型PKS生物合成中的一个重要“还原缺口”。
图1发现离散型聚酮合酶‘还原模块’
研究进展
为填补该“还原缺口”，研究团队通过对一类离散型PKS系统—KAS III相关聚酮生物合成基因簇的系统挖掘和进化分析，发现了一类与KAS III型PKS协同出现的FabV家族ER。体外重构表明，PbrC16能够在聚酮链逐步延伸过程中迭代催化α,β-烯酰结构的还原，将高度不饱和的聚酮中间体转化为高度饱和的产物。进一步研究发现，PbrC16可接受不同链长及不同起始单元的聚酮底物，对C4–C16范围内的烯酰底物均表现出良好活性。这一发现揭示了一种全新的离散型PKS还原逻辑，即借助新ER模块的参与，聚酮链在逐步延伸的同时可同步发生还原，从而实现高度饱和聚酮骨架的形成。
图2系统挖掘KAS III相关聚酮生物合成基因簇
更值得关注的是，PbrC16并不局限于其天然来源的PKS体系。这类FabV家族成员能够与不同的异源离散型PKS体系协同工作，对经过多达8轮延伸形成的聚酮链进行连续还原，表明其具有跨体系应用的潜力，可作为独立的还原模块参与不同聚酮合成途径。
图3 FabV型ER在异源离散型PKS系统中协同工作
研究团队进一步解析了PbrC16及其NADH复合物的晶体结构。结果显示，PbrC16具有开放且宽阔的底物结合腔，可容纳较长的聚酮链；其独特的N端β-发夹结构则参与ACP识别，使连接于ACP上的聚酮中间体能够有效进入活性中心。结构分析和MD模拟共同揭示了PbrC16宽泛底物口袋与ACP识别的结构基础，为理解其广泛的底物兼容性和ACP识别机制提供了结构层面的解释。
图4 烯酰还原酶PbrC16的晶体结构与底物识别机制
该研究颠覆了离散型PKS天然缺乏高度还原聚酮能力的传统认知，首次揭示其可通过招募独立的ER酶实现还原功能。这一发现不仅填补了离散型PKS长期存在的“还原缺口”，也为理性改造离散型PKS系统提供了新的酶学工具——通过引入"即插即用"的ER模块，有望进一步拓展高度还原型聚酮的化学空间。
该研究工作获到国家重点研发计划（2025YFA0921000）、国家自然科学基金（32425033，32300044）、上海市重大专项以及吕志和人才发展基金的支持。
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