深圳湾实验室 唐啸宇/潘孝敬/许建坤 Nat Comm 代谢硫解酶复合体的进化性功能重塑实现了抗生素的生物合成

天然产物的化学多样性很大程度来源于生物合成酶在进化过程中的功能重塑，尤其是初级代谢酶被“征用”进入次级代谢通路，但多亚基酶复合体如何实现这种功能转变仍知之甚少。硫解酶超家族广泛参与中心代谢，在古菌中由HMGS、ACAT和DUF35组成的三元复合体负责甲羟戊酸生物合成。研究者此前在变异链球菌的muc基因簇中发现了这一复合体的同源物MucABC，并推测其参与抗菌天然产物reutericyclin A（RTC-A）的生物合成。本文对该类复合体进行了功能与结构解析，发现其已丧失传统代谢功能，转而在RTC-A生物合成中催化一种非常规的Friedel–Crafts型C-乙酰化反应；这一功能转变伴随着关键保守催化基序的缺失及活性位点重塑。该乙酰化步骤对RTC-A的抗菌活性至关重要。研究揭示了初级代谢多酶复合体被进化性重塑用于次级代谢的新路径，并为合成生物学中开发模块化C–C键形成生物催化剂提供了新思路（图1）。

图1. SmaATase 的体外功能表征及其与古菌 HMGS/ACAT/DUF35 复合体的比较

研究表明，口腔链球菌来源的MucABC复合体是一类新型Friedel–Crafts型C-酰基转移酶。其与已知的Pseudomonas来源Friedel–Crafts酰化酶PpATase虽序列相似性较低，但在结构域组成和整体构架上与PpATase及古菌HMGS/ACAT/DUF35硫解酶复合体高度相似。体外实验发现，MucABC（命名为SmaATase）可利用多种乙酰供体，将乙酰基特异性引入preRTC-A的C3位生成抗生素reutericyclin A，且该反应可逆；进一步证实乙酰辅酶A是其最可能的生理乙酰供体，这一特性同样适用于PpATase。结构生物学与生化分析表明，该酶必须以三元复合体形式组装才能具备催化活性，冷冻电镜揭示其主要形成由MucA、MucB、MucC各四个亚基组成的十二聚体，并可形成多种寡聚状态；活性位点位于亚基界面，单独亚基虽可结合底物但不具催化能力。尽管催化功能已改变，该复合体仍保留典型硫解酶折叠和类似的辅酶A结合腔结构，表明HMGS/ACAT/DUF35这一古老多酶结构模块在进化过程中被整体保留并功能重塑，用于次级代谢中的新型C–C键形成反应（图2）。

图2. SmaATase 的结构分析

系统发育和序列分析表明，SmaATase 与 PpATase 源自古菌 HMGS/ACAT/DUF35 硫解酶复合体，但关键催化基序的突变推动了功能分化：其 HMGS 亚基缺失典型 E–C–H–N 四联体，ACAT 亚基也不再保留古菌 ACAT 中的 HDxF 基序，因此两者已不能催化经典的 HMG-CoA 合成，而仅将乙酰辅酶 A 作为乙酰供体。对古菌复合体的定点突变实验证实这些保守残基对原始反应至关重要。基因组挖掘发现大量仅含 HMGS–ACAT–DUF35 基因的细菌基因簇，其中来自 Pseudomonas fluorescens 的一个代表性复合体表现出“中间态”特征：其 HMGS 失活，但 ACAT 仍保留 HDxF 基序并能催化乙酰乙酰-CoA 的硫解反应，说明其尚未完全转向次级代谢功能。相比之下，SmaATase 与 PpATase 进一步进化，丢失 HDxF 基序并重塑 ACAT 活性位点，使其能够特异识别小分子乙酰受体并进行 Friedel–Crafts 型 C-酰化。分子对接和动力学模拟显示，两者仍保留祖先硫解酶的核心催化残基，但底物结合口袋发生显著改变，这种“保留催化核心、重塑识别界面”的策略支撑了其从初级代谢酶向次级代谢专一 C–C 键形成酶的功能转变（图3-5）。

图3. 古菌与细菌来源 HMGS/ACAT/DUF35 复合体的保守残基与生化活性比较

图4. 来自 P. fluorescens 的 ACAT/HMGS-DUF35 复合体的基因组挖掘与功能表征

图5. HMGS/ACAT/DUF35 复合体功能新生的进化路径模型

研究比较了乙酰化前后化合物的抑菌活性，发现乙酰化是赋予抗菌活性的关键步骤。RTC-A 对多种口腔链球菌竞争菌及临床相关革兰氏阳性致病菌表现出显著抑制作用，而其未乙酰化前体 preRTC-A 几乎无活性；类似地，乙酰化的 DAPG 抗菌能力也明显强于其前体 PG（少数菌株除外）。结果表明，链球菌和假单胞菌中进化而来的酰基转移酶通过引入乙酰基显著增强了这些天然产物的抗菌效力，在微生物种间竞争中具有重要生态意义（图6）。

图6. RTC-A 和 DAPG 与其未乙酰化前体 preRTC-A 和 PG 的抗菌活性比较

综上，本研究解析了来源于链球菌的 SmaATase，证实其是一种非经典 Friedel–Crafts 酰化酶，可将乙酰基转移到吡咯烷-2,4-二酮骨架上，且对乙酰供体具有较强底物兼容性。SmaATase 与 PpATase 形成少见的三元多酶复合体结构，这类结构在初级代谢中常见，却极少见于次级代谢的后修饰酶。尽管两者源自古菌 HMGS/ACAT/DUF35 硫解酶复合体并保留相似整体构架，它们已通过关键催化基序的缺失和活性位点重塑，从参与甲羟戊酸代谢的 Claisen 缩合反应转变为催化小分子底物的 Friedel–Crafts C-酰化，体现了在保守结构框架上通过少量突变实现功能重编程的进化策略。乙酰化对 RTC-A 和 DAPG 的抗菌活性至关重要，分别增强链球菌在口腔生物膜和假单胞菌在根际环境中的竞争优势。该研究揭示了初级代谢多酶复合体被重塑用于天然产物生物合成的新范式，并为生物催化与合成生物学中的酶工程设计提供了启发。

文章信息：Evolutionary repurposing of a metabolic thiolase complex enables antibiotic biosynthesis

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68910-6