非核糖体多肽合成酶（NRPS）是一类可以产生多种化学活性小分子的大分子机器。非核糖体多肽的合成是通过NRPS以多模块（multidomainmodule）的方式对氨基酸进行模块化、如流水线般组装而成。腺苷酰化模块（模块A）选择活化氨基酸，然后通过共价键（硫酯键）的方式结合到Tdomain，然后缩合结构域（Cdomain）催化之前Tdomain上的氨基酸与新的Tdomain的氨基酸形成肽键。除了经典的A、T、C三个模块之外，一些NRPS还存在着一些“裁剪结构域”（tailoringdomains），如短杆菌肽（gramicidin）存在的Fdomain（图1）。
图1
虽然NRPS的每个单独的domain或者两个domain复合物从结构生物学的角度解释其功能的研究较多，但整个NRPS是如何工作的、相邻domain是通过柔性linker连接的还是通过结构docking互补其作用的、相邻模块之间如何协调功能的（新一轮的Tdomain的氨基酰分子与当前Tdomain的多肽是如何通过Cdomain形成肽键的）尚不清楚。因此加拿大麦吉尔大学T.MartinSchmeing课题组与法国索邦大学MartinWeigt在Science杂志发表了一篇题为：“Structuresofadimodularnonribosomalpeptidesynthetaserevealconformationalflexibility”的文章。（DOI:10./science.aaw点击阅读原文获得原文链接）解析了短杆菌肽A（GramicidinA）多肽合成酶（LgrA）的全长结构，从原子层面更加清晰地阐明了NRPS的工作机制。
为了获得LgrA的结构，作者筛选了,个晶体条件，尝试了LgrA与底物、底物类似物、抑制剂等复合物进行结晶，晶体生长温度测试了4℃和22℃，最终获得了五个结构（结晶条件如图2）。
图2
其结构分别是（部分结构的carton如图3）：①-②F/A/T/C四个domain与底物fVal（甲酰缬氨酸）复合物的两个结构，FATfValC（PDB:6MFW）和FATfValC*（PDB:6MFX）（突变了表明暴露的半胱氨酸）；③F/A/T/C/A五个domain此时是donorpeptide形成时的结构（FATCA）（PDB:6MGO）；④F/A/T/C/A五个domain此时两个硫醇键形成时的结构（FATVadCA（PDB:6MFY），此时缬氨酸酰基-腺苷基-乙基磺酸基形成，valinyl-adenosine-vinylsulfamonamide）；⑤和一个全模块的缩合形成时的缩合结构FATCAT（PDB:6MFZ）。这些结构信息与之前大家所共同认为的一致，Fdomain就是负责甲酰基转移酶的功能；Cdomain结构形成V型的假二聚体，氯霉素乙酰转移酶样lobe，形成一个通往活性位点的孔道（有利于缩合）；Adomain有两个重要的部分，Acore部分结合氨基酸，Asub部分移动到Cdomain的末端；Tdomain由带有形成硫酯键的“手臂”的四个螺旋组成。
图3
根据不同结构之间各个模块的相对位置和其他的结构信息（如图4），得出NRPS这样的大分子机器的大致构建，a)NRPS的FAcore、CAcore双结构域稳定整个构象（位置和方向变化很小2-10°/1-8°）；b)Tdomain和Asubdomain根据催化状态而移动（改变很大，Tdomain的改变大到°，Asubdomain大到°）；c)相邻模块的方向在催化过程中有明-显的变化。
图4
多肽链的延长需要Cdomain对两个Tdomain（donorTdomain和acceptorTdomain）上的氨基酸与多肽进行缩合作用。FATCAT的缩合结构信息也证实了这一点，两个Tdomain同时与Cdomain结合（图5A）。donorTdomain结合在Cdomain的螺旋4和螺旋9的浅洼处，而acceptorTdomain则在Cdomain形成的孔洞的对面（如图5B,5C）。donorTdomain将带有氨基酸的硫醇臂放置于Cdomain孔道的活性位点（保守催化motifHHXXXDG）侧，其中位的TYR与甲酰基形成氢键活化羰基碳。随后donor氨基酸旋转一定的角度将活化的羰基碳暴露于acceptorTdomain，发生缩合反应。（图5D）
图5
FATCAT与FATCA的结构信息显示，他们的整体构象非常不相似（图6），但是两个结构状态下都能生成肽键。这似乎能够在一定程度上解释NRPS在溶液状态下的灵活性。为了进一步验证这一想法，作者在三种不同的结晶条件下利用小角x-射线散射（SAXS）观察LgrA的结构变化。作者分别观察了FATVadCA,FATfValCA,和apo-FATCA三个蛋白（复合物）在溶液状态下的散射曲线，结果暗示其具有一定的灵活性，且没有一个获得的晶体结构可以完全将溶液状态下的NRPS描述清楚。综合一系列晶体结构得到的信息与根据散射曲线建立的0个独立模型的结果，认为NRPS（LgrA）具有极强的灵活性（也正是这一灵活性实现了非核糖体多肽的顺利高效合成）。
图6
这一“灵活性”又体现在相邻module位置限制很小，除缩合反应的module和donorTmodule与Cdomain有严格的相互作用外，module与module之间不是内部的linker相连接的。这就为模块交换实验（组合生物合成）提供了可能性。作者将LgrA的module1与致吐*素合酶（cereulidesynthetase）的module4融合成为一个嵌合体，成功生成产物fVal-Val（图7）。根据结构信息进行理性设计与饱和突变，构建了一系列比WT活性高/低的突变体（图7）。
图7
在小编的认知中，本篇文章应该是第一篇解析NRPS全部domain全长结构的文章。这不仅仅证实了之前对NRPS各domain/module的功能的推测（特别是各domain/module之间的