聚酮类化合物是一大类天然产物的总称，也是次级代谢产物中最大的一类。聚酮化合物种类广泛，目前已发现的聚酮化合物超过种，由其衍生出的新化合物更是不计其数[1-2]。迄今已发现多种生物能合成聚酮化合物。如细菌（糖多孢红霉菌合成红霉素，erythromycin；金色链霉菌合成四环素，tetracycline）[3]、真菌（茄褐纹菌合成洛伐他汀，lovastatin）[4]、植物（大黄合成大黄素，emodin）[5]、昆虫（来自药材甲的雌性信息素，stegobinone）[6]等。其中，微生物生物合成是其主要来源途径，微生物可以通过不同的生物合成途径生成不同用途的药物，包括抗生素（如通过糖多孢红霉菌代谢合成红霉素，erythromycin A）；抗真菌药物（如通过结节链霉菌合成两性霉素B，amphotericin B）；抗寄生虫药物（如通过阿维链霉菌代谢合成阿维菌素，avermectins）；杀虫剂（如多刺甘蔗多孢菌代谢合成多杀菌素，spinosyn A）；免疫抑制剂（如吸水链霉菌合成雷帕霉素，rapamycin）及抗癌药物（如利用天蓝淡红链霉菌合成多柔比星，doxorubicin）等[7-13]。目前，全球约有70%的抗生素是由微生物制造，其中使用最多的是放线菌，约占所有微生物的2/3[14]。

聚酮化合物具有广泛的用途，特别是在医药领域，每年聚酮来源的药物销售额超过200 亿美元[15]。由于其在医药、健康等方面的巨大经济价值及应用前景，吸引了大量科学家的关注。随着合成生物学的发展及绿色制造的兴起，越来越多的研究人员对聚酮化合物进行深入研究，包括其代谢通路、合成途径、前体供应、底盘细胞优化、异源表达等，以期通过合成生物学的新技术不断改造和优化聚酮化学物的合成，同时利用绿色制造的理念，开发聚酮化合物生物合成的新思路。如Cheng 等[16]对正交柠檬烯生物合成（orthogonal limonene biosynthetic，OLB）途径进行了改造，用以高效生产柠檬烯，从而使柠檬烯生物合成比传统途径提升6倍，在补料分批发酵中可达917.7mg/L，是目前已知的最高产量。洛伐他汀（lovastatin）也是一种重要的聚酮类化合物，主要由土曲霉合成并被广泛用作降血脂的药物。包括洛伐他汀在内的他汀类药物占到降血脂药物市场总额的80%以上。Itoh 等[17]通过对土曲霉ATCC 的代谢途径进行改造，敲除其中甾醇调节元件结合蛋白和分裂激活蛋白可将洛伐他汀产量提高2.6倍和5.1倍。红霉素是一种典型的聚酮类化合物，也是医药和畜牧业中常用的大环内酯类抗生素，本文作者课题组[18-22]通过翻译后修饰代谢工程策略对红霉素工业高产菌进行代谢及调控通路改造，实现其产量翻倍（下文将详细介绍）。阿维菌素是知名的聚酮类大宗化学品，Wang等[23]通过改造阿维菌素合成途径中碳代谢流的策略使阿维菌素B1a 的工业生产效价达到史无前例的9.31g/L（详见下文介绍）。

聚酮化合物的生物合成途径中通常有多种酶系参与，其中，聚酮合酶直接参与聚酮化合物的合成过程；同时，在底盘细胞营养代谢与前体合成中也有大量不同类型的酶参与。此外，底盘细胞的营养代谢不仅涉及细胞本身的营养利用与生存，同时也关系到次级代谢产物合成时前体的供应。针对聚酮化合物生物合成途径中酶的调控与工程化改造能进一步优化聚酮化合物的生物合成网络。聚酮化合物的合成是以酰基辅酶A为起始单元和延伸单元，同时，酰基辅酶A 也是翻译后修饰中酰基化的供体。因此，酰基化等翻译后修饰不仅影响酰基辅酶A的代谢流，而且也会影响聚酮化合物合成中一系列酶的活性及功能。近年来，CRISPR 技术的应用为代谢途径改造提供了便利的平台，被大量用于聚酮化合物合成途径的改造。此外，聚酮化合物代谢调控网络优化、异源合成等都是聚酮化合物生物合成中广泛采用的策略，本文将针对以上几个方面，结合国内外最新研究成果，介绍当前聚酮化合物生物合成的研究进展。

1 放线菌聚酮类化合物的合成途径

1.1 聚酮化合物与聚酮合酶

聚酮类化合物作为具有重要价值的生物活性物质，其生物合成机制早期是由Birch 等[24]于1953 年提出的类似于脂肪酸生物合成的乙酰基合成途径假说，而且得到了众多实验室通过同位素标记方法的证实。此后，1990 年，Cortes 等[25]对红霉素的生物合成研究显示其合成基因在染色体上是成簇排列的，这一发现成为聚酮类化合物生物合成的里程碑，在此基础上，越来越多的聚酮类化合物生物合成基因簇被克隆。在聚酮化合物的合成中，聚酮合酶发挥了至关重要的作用，其催化机制与脂肪酸合成中脂肪酸合酶的催化机制类似，即通过酰基辅酶A 活化的底物进行重复脱羧而成[26-27]。聚酮类化合物生物合成酶根据其结构域的组织形式可以分为三类：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型聚酮合酶（polyketide synthases，PKSs）。其中，研究最清楚的是1990 年发现的Ⅰ型PKS[28-29]，它由多个具有不同功能的多肽组成。每一个多肽含有不同的结构域，它们分别参与聚酮链延伸时的单个生化反应。Ⅰ型PKS催化生成的聚酮化合物包括红霉素（erythromycin）、阿维菌素（avermectins）、利福霉素（rifamycin）、雷帕霉素（rapamycin）、洛伐他汀（lovastatin）及埃博霉素（epothilone）等。与Ⅰ型PKS 不同，Ⅱ型PKS 被称为迭代类（interative）PKS，其包含一套可重复多次催化相同反应的结构域，此类PKS 是1984年首次在细菌中被报道[30-31]。Ⅱ型PKS催化生成的聚酮化合物包括富伦菌素（frenolicin）、放线紫红素（actinorhodin）、多柔比星（doxorubicin）等。此外Ⅲ型PKS是在1999年被发现[32]，Ⅲ型PKS是同型二聚体酶，具有两个同源的亚基，但是相比其他两型PKS，Ⅲ型酶结构更简单，而且它不依赖于乙酰磷酸，其他两类PKS常通过乙酰磷酸活化酰基辅酶A底物。Ⅲ型PKS主要催化芳香类聚酮化合物的生物合成，例如淡黄霉素（flaviolin）。除了结构和功能的差异，在遗传进化上，Ⅲ型PKS与其他两类PKS及FAS（脂肪酸合酶）的距离也较远。

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