在生物科学的浩瀚海洋中，每一次的探索都可能带来令人震惊的发现。近日，发表于Science题为“Giant polyketide synthase enzymes in the
biosynthesis of giant marine polyether toxins”一项关于定鞭金藻（Prymnesium parvum，又名小土栖藻）的研究，揭示了一种名为“PKZILLA”的巨型聚酮合酶基因。这种基因编码的蛋白质约4.5万个氨基酸组成，质量约为4.7兆道尔顿，超越了人类体内最大的蛋白质——肌联蛋白（Titin），PKZILLA成为目前已知生物体中最大的蛋白质。这一惊人的科学发现，不仅刷新了我们对蛋白质大小极限的认知，也开启了海洋生物学研究的新篇章。
什么是定鞭金藻？
定鞭金藻（Prymnesium parvum）为单细胞，具有两个鞭毛，细胞体呈椭圆形，表面覆盖有硅质鳞片。细胞内部含有一个或多个叶绿体，能够进行光合作用。
Fig 1.定鞭金藻结构图
定鞭金藻作为海洋和淡水生态系统中的关键成员，是全球有害藻华的主要成因之一。主要生活在淡水中，但在某些情况下也能在半咸水或咸水中生存。定鞭金藻对环境条件有较强的适应性，能够在营养丰富的水域中迅速繁殖。
生产毒素的罪魁祸首
研究发现，定鞭金藻（Prymnesium parvum）能够产生一系列复杂的多醚毒素，包括溶血毒素prymnesin-1和prymnesin-B1，这些毒素不仅导致大规模的鱼类死亡，还对海洋生物多样性和食物链产生深远影响。Prymnesin-1的长度为90个碳原子，与其他大量微藻聚酮化合物生物毒素一起，如palytoxin和maitotoxin，它们是自然界中最大的非聚合碳链分子，除了对生态系统的破坏，巨型聚醚毒素（prymnesins）也对人类健康构成潜在威胁，通过食物链的生物积累，这些毒素可能影响人类的食品安全，引发神经系统疾病，甚至导致中毒事件。
Fig 2. 历史上主要的P. parvum出现地和prymnesin-1结构图
定鞭金藻作为海洋和淡水生态系统中的关键成员，是全球有害藻华的主要成因之一。主要生活在淡水中，但在某些情况下也能在半咸水或咸水中生存。定鞭金藻对环境条件有较强的适应性，能够在营养丰富的水域中迅速繁殖。
发现Prymnesium parvum的主要结构
研究团队对P. parvum的基因组进行了深度测序和组装，以识别和注释与聚酮化合物合酶（PKS）相关的基因。但是测序结果并不理想，没有检测到合适的PKS基因，说明PKS基因并不仅仅是研究人员所预测的大小，于是研究团队选取了一种最保险也是最麻烦的办法，首先在自动基因注释中对可能参与PKZILLA-1生物合成的PKS基因进行了分类，确定了44个PKS基因，将检测错误的部分通过人工修改，数据库手动组装运行这种潜在的PKS基因片段。
最终研究人员先后发现了PKZILLA-1和PKZILLA-2两组基因，这两组基因分散在整个序列中，分别编码了约470万和320万道尔顿的巨型酶，各自具有140个和99个酶域。PKZILLA-1和PKZILLA-2是负责溶血毒素Prymnesin-1骨架合成的关键酶。上述结果证实了PKZILLA-1和PKZILLA-2转录物会翻译成蛋白质，并且每个基因只有一个翻译产物。
Fig 3. PKZILLAs的基因组、转录组和蛋白质组证据
PKZILLA是否能表达蛋白？
为了进一步验证PKZILLA-1和PKZILLA-2基因在活细胞中是否能够表达为蛋白质，研究团队首先获取了冻干处理的Prymnesium parvum藻类样本，随后使用特定的酶将藻类中的蛋白质分解为更小的肽段。这一过程，称为蛋白酶解，能够将复杂的蛋白质结构转化为更易于分析的碎片。
接下来，研究者对这些肽段进行了深度测序，以确定它们的氨基酸序列。通过对序列数据的分析，研究者发现至少75%的PKZILLA-1和76%的PKZILLA-2基因编码的氨基酸序列在藻类的蛋白质组中得到了表达，这表明这两个基因在活细胞中确实能够转化为蛋白质。
Fig 4. PKZILLA PKS模块与所提出的prymnesin生物合成前体的对比
尽管这种方法能够作为PKZILLA基因表达为蛋白质的强有力证据，但研究者也指出，它并不能直接证实PKZILLA蛋白是否以完整的大型分子形式存在。蛋白质的完整结构对于其功能至关重要，因此，即使测序结果显示了大部分序列的表达，也不能完全排除蛋白质在合成过程中可能经历了剪切或修饰的情况。此外，研究者也承认，即使PKZILLA基因能够编码蛋白质，这些蛋白质可能仍然需要与其他酶或蛋白质复合体相互作用，才能完成prymnesin等复杂化合物的生物合成。
总而言之，这一发现揭示了Prymnesium parvum如何通过巨型多酮合酶PKZILLAs合成其复杂的毒素分子，也强调了生物合成途径的复杂性，为探索复杂天然产物的生物合成途径开辟了全新的视野。这一进展不仅拓宽了我们对生物合成领域知识的边界，生物合成酶在尺寸上的巨大潜力，还为未来天然产物的生物合成研究和应用奠定了坚实的基础，预示着在药物开发、化学合成和生物技术领域中潜在的创新可能。
参考文献：
【1】Fallon, Timothy R et al. “Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins.” Science (New York, N.Y.) vol. 385,6709 (2024): 671-678. doi:10.1126/science.ado3290
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