综述：II型聚酮合酶对人类健康的影响、当前认知与未来方向

　　本综述系统梳理了II型聚酮合酶（PKS）在天然药物开发中的核心作用，重点解析了其生物合成逻辑（包括起始、延伸、还原、环化等步骤）、蛋白互作机制及工程化挑战，为新型抗生素、抗癌药物（如阿霉素、伊维菌素）的定向设计提供了关键理论基础。

　　

为什么关注天然产物？

天然产物（NP）长期以来是人类社会的重要组成部分，从香料到拯救生命的药物均有涉猎。早在公元前2600年，美索不达米亚就有使用天然产物（主要是植物）作为药物的记录。1928年亚历山大·弗莱明发现青霉素，并在二战中展现出显著疗效，真正开启了天然产物药物发现的“黄金时代”。从1940年代到1970年代，默克、施贵宝、礼来和辉瑞等大型工业公司推动了青霉素的大规模生产，促进了药物发现的蓬勃发展。

1985年，重组DNA技术的进步使得从土壤细菌天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）中首次克隆了整个生物合成基因簇（BGC），随后通过混合不同BGC元件成功创建了新化合物，这被称为“组合生物合成”。然而，随着组合化学的兴起，该领域一度被 overshadowed。尽管组合化学高通量筛选了数百万种化合物，但在1981年至2019年间仅有两种de novo化合物成功商业化，失败的主要原因在于库设计不合理。

近年来，随着低成本DNA测序技术的普及，宏基因组数据的大量可用性重新推动了天然产物的发现。生物信息学工具和BGC预测数据库的发展进一步加速了这一进程。天然产物的持久影响力体现在1981年至2019年间近70%新批准的小分子药物来自或受天然产物启发，包括阿奇霉素（来自红霉素）、阿莫西林（来自青霉素）、头孢氨苄（来自头孢菌素）、万古霉素、达托霉素、伊维菌素（来自阿维菌素）、青蒿素、伊达比星（来自柔红霉素）和雷帕霉素等。

伊维菌素作为聚酮化合物阿维菌素的衍生物，对人类、动物和农业健康产生了深远影响。自1973年从土壤细菌中分离出来后，它很快被鉴定具有驱虫功能，并于1981年商业化。1987年，伊维菌素被证明可有效治疗河盲症和淋巴丝虫病，并通过默克的Mectizan捐赠计划免费提供。截至2025年，该计划已捐赠50亿次治疗，帮助5个国家消除了河盲症，另外5个国家消除了淋巴丝虫病。在动物健康领域，伊维菌素对多种寄生虫有效，年销售额超过10亿美元已持续二十多年。

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聚酮合酶（PKS）的结构与生物合成逻辑

聚酮化合物是由聚酮合酶（PKS）合成的一类重要天然产物，具有广泛的生物活性，包括抗生素（四环素、四烯霉素、放线紫红素）、抗癌化合物（抵抗霉素、阿霉素、光神霉素）、抗真菌剂（普拉迪霉素、两性霉素）和抗HIV治疗剂（红霉素、灰霉霉素）。PKS与脂肪酸合酶（FAS）共享核心生物合成逻辑，均通过迭代方式从简单前体构建更大分子。但PKS通过在每个合成点引入FAS无法实现的小化学修饰，产生结构多样性极高的化合物。

聚酮生物合成可分为起始、延伸、还原、芳香化/环化和修饰步骤。II型PKS使用离散的单域或多域蛋白，而非共价连接的多肽链。链起始涉及一个引物单元与延伸单元的缩合，常见引物包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、苯甲酸和水杨酸等。延伸由最小PKS（包括ACP、KS/CLF和MAT）催化，形成高反应性的聚-β-酮中间体，该中间体可自发环化，但需要酶指导以形成特定结构。

还原步骤由酮还原酶（KR）催化，通常在第9位碳酮基还原为醇。KR具有保守的Rossman折叠结构，依赖NADPH进行立体特异性还原。环化和芳香化由芳香酶/环化酶（ARO/CYC）催化，形成芳香环结构。最后，通过糖基化、甲基化、环氧化等修饰反应进一步多样化终产物。

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生物合成逻辑：II型PKS的链起始

链起始涉及引物单元与延伸单元的缩合。在II型PKS中，乙酸引物常见，但许多系统也使用非乙酸引物，如丙酸（柔红霉素、阿克拉霉素）、丁酸（Frenolicin、Alnumycin）、苯甲酸（Enterocin）等。这些引物通过专门的起始模块引入，其中最常见的是引物酮合酶（priming ketosynthase），如FabH同源物ZhuH和DpsC。

ZhuH和DpsC代表两类引物酮合酶，分别具有Cys-His-Asn和Ser-His-Asp催化三联体。它们通过不同的机制选择性地转移引物单元至ACP，进而传递给KS/CLF进行延伸。尽管这些酶在体外显示底物宽泛性，但在体内通过编辑硫酯酶（如ZhuC、EncL）增强引物保真度。此外，像GilQ这样的酰基转移酶主动将丙酰基加载到ACP上，进一步扩展了引物选择的灵活性。

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生物合成逻辑：II型PKS的链延伸

链延伸由最小PKS（ACP、KS/CLF、MAT）催化。KS/CLF是异二聚体，其中KS具有Cys-His-His催化三联体，负责Claisen缩合反应。ACP携带磷酸泛酰巯基乙胺辅基，通过硫酯键连接中间体，并在酶之间转移。MAT负责将丙二酰基从丙二酰-CoA转移到ACP上。

KS/CLF的扩增通道长度决定了聚酮链的延伸次数。通过突变通道残基，可改变链长特异性，但往往伴随天然产物的混合生成。ACP与伙伴酶之间的相互作用主要依赖电荷互补和表面契合，但兼容性不足限制了嵌合系统的成功。

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生物合成逻辑：II型PKS的链还原

延伸完成后，NADPH依赖的酮还原酶（KR）通常在C9位催化酮基还原为醇。KR具有开放的活性位点结构，可容纳不同链长的中间体。研究表明，KR不仅负责还原，还促进C7-C12环化。分子对接和突变分析揭示了KR如何通过带正电残基与带负电的ACP相互作用，以及如何通过疏水残基引导底物定位。

此外，还存在第二类KR，作用于环化后释放的中间体，在C15、C17、C19或C21位进行立体特异性还原。这些KR具有缩短的盖区结构，其底物特异性与C9还原KR不同。通过区域交换和点突变，已成功实现KR立体选择性的工程化改造。

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生物合成逻辑：II型PKS的芳香化与环化

芳香化和环化由ARO/CYC催化，形成最终碳骨架结构。早期作用的ARO/CYC（如ZhuI、WhiE ARO/CYC）采用螺旋握持折叠，通过保守的精氨酸和酸性残基介导环化反应。晚期作用的ARO/CYC（如TcmI、AknH）则具有不同的蛋白折叠，催化第四环闭合，甚至影响C9立体化学。

工程化尝试主要通过替换ARO/CYC来改变环化模式，但成功率受限于ACP-ARO/CYC互作兼容性。突变研究显示，改变活性位点残基可切换环化位置和立体化学，但活性往往降低。

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结论与未来方向

自1984年放线紫红素基因簇克隆以来，II型PKS研究取得了显著进展。基因组学和结构生物学的发展为BGC发现和酶机制解析提供了强大工具。然而，中间体的高反应性和蛋白互作的短暂性仍是工程化的主要障碍。

未来研究需聚焦于：1）利用底物类似物深入探究酶催化机制和底物特异性；2）解析蛋白-蛋白互作网络，指导多酶复合物的理性设计。只有克服这些挑战，才能实现II型PKS的高效工程化，生产具有预期结构和活性的新型药物，最终造福人类健康。