碳-碳（C-C）鍵是有機分子的基本骨架之一，在合成化學(xué)中催化C-C鍵的形成往往需要較為苛刻的反應(yīng)條件。相比之下，生命體則利用酮合成酶家族（Ketosynthases, KSs）來實現(xiàn)C-C鍵的溫和催化和形成。其中，脂肪酸生物合成（Fatty acid biosynthesis, FAS）和聚酮生物合成（Polyketide biosynthesis, PKS）途徑均利用高度保守的KSs來實現(xiàn)脂肪酸和聚酮化合物的碳骨架延長。然而，這類酶如何實現(xiàn)C-C鍵的形成，其分子機制尚不清楚。
近日，上海交通大學(xué)張良教授團隊聯(lián)合浙江理工大學(xué)葉飛教授團隊在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表了題為“The β-Ketoacyl-ACP Synthase FabF Catalyzes Carbon-Carbon Bond Formation in a Bimodal Pattern for Fatty Acid Biosynthesis”的研究論文，首次揭示了細菌關(guān)鍵脂肪酸生物合成途徑中催化脂肪酸碳鏈延長關(guān)鍵KS酶β-酮酰基-ACP合成酶FabF的獨特雙峰底物選擇性識別機制和通過轉(zhuǎn)酰-縮合反應(yīng)實現(xiàn)C-C鍵形成的催化機制。上海交通大學(xué)碩士研究生黃渝洲和中科院上海藥物研究所/國科大杭州高等研究院碩士研究生王怡然為本論文共同第一作者。上海交通大學(xué)張良教授、浙江理工大學(xué)葉飛教授和上海交通大學(xué)張琳助理研究員為本論文通訊作者。
在本工作中，作者首先通過酶動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌FabF對6碳和10碳長度的脂肪酰底物具有顯著的選擇性，而對8碳、較短（4碳）或較長（12碳及以上）底物則催化活性較低，從而整體呈現(xiàn)出了獨特的雙峰底物選擇性識別特征。進一步對FabF與攜帶6碳或10碳飽和脂肪酰的底物載脂蛋白ACP的復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)abF利用位于其U型催化口袋前部、中部和尾部的“前門”、“中門”和“后門”氨基酸特異性穩(wěn)定6碳和10碳酰基底物，并將ACP上的6碳或10碳飽和脂肪酰底物轉(zhuǎn)移至FabF活性氨基酸Cys167上，形成中間加成產(chǎn)物。而8碳?；孜锬┒苏梦挥贔abF催化口袋的“中門”和“后門”之間，較低的構(gòu)象穩(wěn)定性不利于轉(zhuǎn)酰反應(yīng)的進行。結(jié)合量子化學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)abF利用關(guān)鍵活性氨基酸His304、Lys336和His341側(cè)鏈之間的質(zhì)子傳遞，對其第二底物丙二酰-ACP進行脫羧和縮合催化，最終實現(xiàn)了對6碳和10碳?；孜锷项~外兩個碳的優(yōu)先加成和碳鏈的延長。
本研究為深入理解KSs酶家族催化C-C鍵形成奠定了分子理論基礎(chǔ)，有助于合成生物學(xué)和工業(yè)中藥物前體合成領(lǐng)域的蛋白質(zhì)工程優(yōu)化。更重要的是，本工作揭示的FabF獨特雙峰催化模式將導(dǎo)致8碳脂肪酰底物在脂肪酸生物合成途徑中的積累，從而進一步促進以辛酸（8碳）為底物合成構(gòu)建三羧酸循環(huán)所必須的硫辛酸，從而實現(xiàn)細菌代謝和下游關(guān)鍵生物功能。因此，本研究還拓寬了人們對脂肪酸生物合成途徑調(diào)控細菌新陳代謝和生命周期的認識，為相關(guān)藥物研發(fā)提供了新線索。
論文信息 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 
