海洋放线菌SCSIO 07745中红霉素衍生物的分离、鉴定和生物合成基因簇的分析

目的：对从中国南海沉积物样品中分离的放线菌SCSIO 07745中抑菌活性次级代谢产物进行研究,并对相应产物的生物合成基因簇进行分析。方法：提取菌株SCSIO 07745基因组DNA,利用Illumina Hiseq和PacBio SMRT技术进行基因组测序;通过对16S rDNA序列进行分析构建系统发育进化树以鉴定菌种;以有机溶剂萃取得到发酵产物并利用正相反相柱层析等色谱手段进行分离纯化;通过波谱数据分析对化合物进行结构鉴定。利用生物信息学技术对基因组进行注释并对合成该化合物的基因簇进行定位分析,推导其生物合成途径。结果：该放线菌被鉴定为糖多孢红霉菌Saccharopolyspora erythraea,从其发酵产物中分离鉴定了2个大环内酯类化合物sporeamicin A(1)和erythromycin A enol ether(2)。全基因组序列测序发现该菌株基因组DNA为线状,含有31个次级代谢产物生物合成基因簇,其中基因簇3可能负责红霉素衍生物的生物合成,并对其生物合成途径进行了推导。结论：筛选得到了1株产生红霉素类化合物的海洋糖多孢红霉菌S. erythraea SCSIO 07745,为红霉素类抗生素的开发提供了新的菌株资源。同时,该菌株的全基因组序列为其蕴藏的次级代谢产物的挖掘奠定了基础。     

雷帕霉素生物合成及其分子调控的研究进展

雷帕霉素是一种 31 元大环内酯类抗生素,由雷帕链霉菌 (Streptomyces rapamycinicus)、游动放线菌 N902-109 (Actinoplanes sp. N902-109)与伊氏链霉菌(Streptomyces iranensis)等放线菌菌株产生,具有广泛的生物活性,包括抗真菌、免疫抑制、 抗肿瘤、神经保护和抗衰老等,市场应用前景非常广阔。目前,其生物合成途径已被清楚解析,研究证实它由一种杂合 I 型聚 酮合酶 (PKS, polyketide synthase)/ 非核糖体肽合成酶 (NRPS, nonribosomal peptide synthetase) 负责合成。基因簇全长约 107.3kb, 共含有 26 个基因,其中 5 个编码调控蛋白,参与调控雷帕霉素的生物合成。鉴于雷帕霉素及其衍生物在临床上的重要用途,其 生物合成及其分子调控一直是大家的关注点,并取得了长足的进展,为雷帕霉素高产菌株的分子育种及新活性衍生物的挖掘奠 定了良好的基础。本文将主要总结雷帕霉素生物合成基因簇、生物合成途径及其分子调控机制方面的研究进展,并将就该重要 抗生素的发现及其衍生物的功能、高产菌株育种等方面的研究进行简单回顾。     

宁夏枸杞根际土壤链霉菌V-1-3次级代谢产物分析

摘要：目的 获得链霉菌V-1-3的基因组序列信息,分析其次级代谢产物生物合成基因簇并预测其代谢产物,为发现潜在新抗生素奠定基础。方法 基于16S rRNA基因序列进行菌株属水平鉴定,利用Illumina HiSeq+PacBio测序技术对菌株V-1-3进行基因组测序,采用antiSMASH(v6.0.1)在线工具分析次级代谢产物生物合成基因簇,液-质联用技术检测产生的次级代谢产物。结果 链霉菌V-1-3基因组序列全长8 243 417 bp,平均(G+C)含量为72.14 %,共编码7578个基因,预测到33个生物合成基因簇,利用液-质联用检测到4个代谢物：oxalomycin B、geosmin、coelichelin和ishigamide。结论 来自盐碱地的链霉菌V-1-3具有丰富的次级代谢产物生物合成基因簇,能产生多种次级代谢产物,具有进一步发掘新抗生素的价值。     

玫瑰孢链霉菌基因组挖掘研究进展

玫瑰孢链霉菌是重要抗生素达托霉素的产生菌。基因组挖掘发现该菌具有丰富的次级代谢产物合成潜力,激活沉默次级代谢产物生物合成基因簇,发现了10多种具有多种生物活性的次级代谢产物。本文回顾了玫瑰孢链霉菌次级代谢产物的研究进展,以及激活这些沉默生物合成基因簇的研究策略。这些研究为其他链霉菌基因组挖掘提供了有效的思路和方法学参考。     

湖泊放线菌SIIA-A16124的分类鉴定及基因组挖掘

目的 对湖泊放线菌SIIA-A16124进行分类鉴定和基因组挖掘。方法 采用多相分类法对菌株的形态学、生理生化、细胞壁化学组分、16S rRNA基因序列进行测定和分类鉴定,采用基因组挖掘分析生物合成基因簇,经发酵培养、抗菌活性检测及活性产物质谱分析,推测其活性产物的化合物结构类别。结果 菌株SIIA-A16124的16S rRNA基因与菌株Actinokineospora inagensis NRRL B-24050T同源性最高为99%;菌株SIIA-A16124在ISP3培养基上中等产孢和水解淀粉的特性与模式菌株存在明显差异;鉴定菌株SIIA-A16124为动孢菌Actinokineospora sp.,具有羊毛硫肽生物合成基因簇,其活性次级代谢产物属于羊毛硫肽类抗生素。结论 首次发现动孢菌属放线菌具有生物合成羊毛硫肽类抗生素的能力。     

利普斯他汀高产菌株毒三素链霉菌AP617-N12CA的全基因组测序与分析

摘要：目的 解析利普斯他汀(lipstatin)高产菌株毒三素链霉菌AP617-N12CA (S. toxytricini AP617-N12CA)的基因组序列信息,为深入研究该菌株高产lipstatin的分子机理与调控机制奠定基础。方法 联合应用三代单分子测序技术和二代高通量测序技术对AP617-N12CA菌株进行全基因组测序,使用相关软件对测序数据进行进基因组组装、基因预测和功能注释,并对lipstatin及其他次级代谢产物生物合成基因簇进行分析预测。结果 AP617-N12CA菌株整个基因组大约6.99Mb,GC含量73.76%,含有6134个编码序列;基因组由一条长约6.38Mb的线型染色体和一个长约0.61Mb的线型质粒组成;同时预测得到22个次级代谢产物合成基因簇,其中lipstatin基因簇定位在线型质粒右臂区域而非在染色体上。结论 首次完成了AP617-N12CA菌株全基因组完成图绘制,在S. toxytricini菌中首次发现和描述了线型质粒,在线型质粒上定位并鉴定分析了lipstatin基因簇。为S. toxytricini的功能基因组学研究和lipstatin高产机理解析提供了基础数据,对后续相关研究具有重要意义。     

基因组导向的丝状真菌沉默生物合成基因簇激活策略D

真菌是药物先导结构的重要来源,得益于基因组测序技术的飞速发展,生物信息学分析发现真菌中存在大量次级代谢产物基因簇。而这些基因簇在常规实验室培养条件下往往不表达代谢产物,被称之为“沉默”基因。同时,随着天然产物分离技术在日益进步,结构新颖的天然产物发现的几率却在减少。因此如何借助基因组数据分析并激活沉默的基因簇,“解密”天然产物的宝藏,挖掘真菌潜在的代谢潜能成为研究热点。本文主要介绍了基因组导向的丝状真菌沉默生物合成基因簇的激活策略。     

一株海洋来源Streptomyces sp. SCSIO 1682中那西肽(nosiheptide)的分离鉴定及其生物合成基因簇分析

目的 对一株海洋来源的菌株SCSIO 1682进行16S rDNA分子生物学鉴定,对发酵产物中的抑菌活性化合物进行分离鉴定,并对抑菌活性化合物的生物合成基因簇进行分析。方法 通过构建基于16S rDNA序列的系统发育树来进行菌株鉴定;通过有机溶剂萃取、正相和反相硅胶层析等化学分离手段对菌株SCSIO 1682的次级代谢产物进行活性追踪分离纯化;运用HR-ESI-MS,₁H和₁₃C NMR等波谱手段对所得化合物进行结构解析;通过对菌株SCSIO 1682进行全基因组扫描测序鉴定所得化合物的生物合成基因簇。结果 该菌株被鉴定为Streptomyces sp. SCSIO 1682,所得抑菌活性化合物为那西肽,鉴定了那西肽的生物合成基因簇并进行生物信息学分析。结论 从海洋链霉菌Streptomyces sp. SCSIO 1682中分离鉴定了那西肽,那西肽生物合成基因簇的鉴定为利用组合生物合成和合成生物学技术对那西肽进行结构改造提供了新的基因资源。     

链霉菌沉默生物合成基因簇调控的研究进展

本文以天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)中黄色色素coelimycin生物合成调控及开发策略的研究进展为代表,介绍了链霉菌中沉默生物合成基因簇调控激活的新进展,为链霉菌天然产物基因簇的挖掘和新次级代谢产物的发现提供研究思路。     

海鞘来源放线菌Streptomyces pratensis SCSIO LCY05中skyllamycins的发现及其生物合成分析

目的 挖掘海鞘来源放线菌Streptomyces pratensis SCSIO LCY05生产含肉桂酰独特结构单元的skyllamycins类环肽的潜能,并深入分析skyllamycins生物合成基因簇的新特征。方法 利用Illumina Hiseq和Pacbio SMRT测序平台对S. pratensis SCSIO LCY05基因组DNA其进行全基因组测序,通过生物信息学手段对菌株基因组的生物合成基因簇进行预测和基因功能注释,采用OSMAC (one strain many compounds) 策略对S. pratensis SCSIO LCY05菌株进行发酵优化,结合萃取法、色谱学和波谱学等方法对该菌株的次级代谢产物进行分离和结构鉴定,并对得到的化合物的生物合成途径进行推导及对新颖的合成特征进行挖掘。结果 全基因组测序结果表明,S. pratensis SCSIO LCY05菌株的基因组全长为8.42 Mbp,共含有35个生物合成基因簇,该基因组上的基因簇20与skyllamycins生物合成基因簇的相似度为95%。在OSMAC策略的优化基础上,发现S. pratensis SCSIO LCY05菌株在SCAS培养基中出现了两个具有典型吸收特征的峰,经鉴定为skyllamycin A和skyllamycin B环肽化合物,并推导了其生物合成途径。进一步的聚类分析发现skyllamycins装配线上的C₁₁结构域可能是具有缩合和异构化双重功能的结构域,负责skyllamycins中第11个氨基酸的组装和异构化。结论 本研究不仅发现海鞘来源放线菌S. pratensis SCSIO LCY05经OSMAC策略的优化后可产生skyllamycins类环肽化合物,并揭示了skyllamycins生物合成过程中的新特征,同时也为skyllamycins类化合物生物合成机制的深入阐释及其进一步的开发利用提供了新的菌株资源。     

海洋微生物次级代谢产物生物合成的研究进展

海洋微生物次级代谢产物往往具有新颖的化学结构,蕴含着独特的生物合成途径、酶学机理和不同于陆生放线菌次级代谢产物的生物合成机制。自从2000年第一例海洋微生物天然产物enterocin的生物合成基因簇被阐明以来,迄今已克隆和鉴定了27种海洋微生物次级代谢产物的完整生物合成基因簇。这些次级代谢产物的生物合成主要源于四种途径,包括聚酮合酶途径,非核糖体肽合成酶途径,聚酮-非核糖体肽合成酶杂合途径,以及其他途径。本文综述了近年来一些重要海洋微生物活性次级代谢产物的生物合成途径,以及组合生物合成技术在海洋微生物次级代谢产物结构多样化方面的应用。     

Expression of biosynthetic gene clusters in heterologous hosts for natural product production and combinatorial biosynthesis

Expression of biosynthetic gene clusters in heterologous hosts for natural product production and combinatorial biosynthesis is playing an increasingly important role in natural product-based drug discovery and development programmes. This review highlights the requirements and challenges associated with this conceptually simple strategy of using surrogate hosts for the production of natural products in good yields and for the generation of novel analogues by combinatorial biosynthesis methods, taking advantage of the recombinant DNA technologies and tools available in the model hosts. Specific topics addressed include: i) the mobilisation of biosynthetic gene clusters using different vector systems; ii) the selection of suitable model heterologous hosts; iii) the requirement of post-translational protein modifications and precursor supply within the model hosts; iv) the influence of promoters and pathway regulators; and v) the choice of suitable fermentation conditions. Lastly, the use of heterologous expression in combinatorial biosynthesis is addressed. Future directions for model heterologous host engineering and the optimisation of natural product biosynthetic gene cluster expression in heterologous hosts are also discussed.     

The biosynthetic gene clusters of aminocoumarin antibiotics

Plants and microorganisms are the most important sources of secondary metabolites in nature. For research in the functional genomics of secondary metabolism, and for the biotechnological application of such research by genetic engineering and combinatorial biosynthesis, most microorganisms offer a unique advantage to the researcher: the biosynthetic genes for a specific secondary metabolite are not scattered over the genome, but rather are clustered in a well-defined, contiguous region - the biosynthetic gene cluster of that metabolite. This is exemplified in this review for the biosynthetic gene clusters of the aminocoumarin antibiotics novobiocin, clorobiocin and coumermycin A (1), which are potent inhibitors of DNA gyrase. Cloning, sequencing and analysis of the biosynthetic gene clusters of these three antibiotics revealed that the structural differences and similarities of the compounds are perfectly reflected by the genetic organisation of the biosynthetic gene clusters. The function of most biosynthetic genes could be identified by gene inactivation experiments as well as by heterologous expression and biochemical investigation. The prenylated benzoic acid moiety of novobiocin and clorobiocin, involved in the interaction with gyrase, is structurally similar to metabolites found in plants. However, detailed investigations of the biosynthesis revealed that the biosynthetic pathway and the enzymes involved are totally different from those identified in plants.     

链霉菌沉默生物合成基因簇调控的研究进展

本文以天蓝色链霉菌(Streptomyces     

脱氧糖组合生物合成的研究进展

天然活性物质的糖基对其发挥生物活性十分重要。目前已从许多抗生素产生菌中分离出各种糖生物合成基因簇以及糖苷转移酶基因，对其生物合成途径的认识也不断深入。近年的研究结果表明抗生素的糖合成酶和糖苷转移酶具有一定的底物宽泛性。本文在总结脱氧糖生物合成基因及糖苷转移酶基因的发展概况基础上，重点综述了运用组合生物合成技术改造脱氧糖分子结构的研究进展。     

Deoxysugars in bioactive natural products: development of novel derivatives by altering the sugar pattern

Bioactive natural products are frequently glycosylated with saccharide chains of variable length. These sugars are important for the biological activity of the compounds and they contribute to the interaction with the biological target. The increasing knowledge of sugar biosynthesis pathways and the isolation of a large number of sugar gene clusters from antibiotic-producing actinomycetes are providing tools for combinatorial biosynthesis approaches that can generate potentially improved derivatives with altered sugars in their architecture. Novel derivatives of known bioactive natural products can be produced either in the producer organisms or in heterologous hosts by using different combinatorial biosynthesis strategies. In this article, recent advances in the field are discussed, illustrating the alternative approaches of gene inactivation, gene expression, combining gene inactivation and gene expression, co-expression of genes from different pathways or the use of sugar cassette plasmids to endow a host with the capability of synthesizing new sugars.