碳-碳（C-C）键是有机分子的基本骨架之一，在合成化学中催化C-C键的形成往往需要较为苛刻的反应条件。相比之下，生命体则利用酮合成酶家族（Ketosynthases, KSs）来实现C-C键的温和催化和形成。其中，脂肪酸生物合成（Fatty acid biosynthesis, FAS）和聚酮生物合成（Polyketide biosynthesis, PKS）途径均利用高度保守的KSs来实现脂肪酸和聚酮化合物的碳骨架延长。然而，这类酶如何实现C-C键的形成，其分子机制尚不清楚。
近日，上海交通大学张良教授团队联合浙江理工大学叶飞教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“The β-Ketoacyl-ACP Synthase FabF Catalyzes Carbon-Carbon Bond Formation in a Bimodal Pattern for Fatty Acid Biosynthesis”的研究论文，首次揭示了细菌关键脂肪酸生物合成途径中催化脂肪酸碳链延长关键KS酶β-酮酰基-ACP合成酶FabF的独特双峰底物选择性识别机制和通过转酰-缩合反应实现C-C键形成的催化机制。上海交通大学硕士研究生黄渝洲和中科院上海药物研究所/国科大杭州高等研究院硕士研究生王怡然为本论文共同第一作者。上海交通大学张良教授、浙江理工大学叶飞教授和上海交通大学张琳助理研究员为本论文通讯作者。
在本工作中，作者首先通过酶动力学研究，发现幽门螺杆菌FabF对6碳和10碳长度的脂肪酰底物具有显著的选择性，而对8碳、较短（4碳）或较长（12碳及以上）底物则催化活性较低，从而整体呈现出了独特的双峰底物选择性识别特征。进一步对FabF与携带6碳或10碳饱和脂肪酰的底物载脂蛋白ACP的复合物结构解析发现，FabF利用位于其U型催化口袋前部、中部和尾部的“前门”、“中门”和“后门”氨基酸特异性稳定6碳和10碳酰基底物，并将ACP上的6碳或10碳饱和脂肪酰底物转移至FabF活性氨基酸Cys167上，形成中间加成产物。而8碳酰基底物末端正好位于FabF催化口袋的“中门”和“后门”之间，较低的构象稳定性不利于转酰反应的进行。结合量子化学计算发现，FabF利用关键活性氨基酸His304、Lys336和His341侧链之间的质子传递，对其第二底物丙二酰-ACP进行脱羧和缩合催化，最终实现了对6碳和10碳酰基底物上额外两个碳的优先加成和碳链的延长。
本研究为深入理解KSs酶家族催化C-C键形成奠定了分子理论基础，有助于合成生物学和工业中药物前体合成领域的蛋白质工程优化。更重要的是，本工作揭示的FabF独特双峰催化模式将导致8碳脂肪酰底物在脂肪酸生物合成途径中的积累，从而进一步促进以辛酸（8碳）为底物合成构建三羧酸循环所必须的硫辛酸，从而实现细菌代谢和下游关键生物功能。因此，本研究还拓宽了人们对脂肪酸生物合成途径调控细菌新陈代谢和生命周期的认识，为相关药物研发提供了新线索。
论文信息
The β-Ketoacyl-ACP Synthase FabF Catalyzes Carbon-Carbon Bond Formation in a Bimodal Pattern for Fatty Acid Biosynthesis
Yuzhou Huang, Yiran Wang, Chang Cai, Lin Zhang, Fei Ye, Liang Zhang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202407921
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