链霉菌抗生素生物合成的基因调控

链霉菌中抗生素生物合成受到许多调控基因的调控,它们通过途径特异性调控方式、全局性调控以及双组分调控方式对基因表达进行调控.概述这些调控基因将有利于改良抗生素生产菌株及新型抗生素的研究,并为改造链霉菌抗生素生物合成相关基因、提高产量提供理论依据.本文归纳了国内外链霉菌抗生素生物合成基因簇各调控基因及其研究进展.     

海洋放线菌Streptomyces costaricanus SCSIO ZS0073中fungichromin生物合成基因簇的分析鉴定

目的 对分离自我国广西红沙红树林湿地公园的放线菌菌株Streptomyces costaricanus SCSIO ZS0073进行基因组测序分析,并对其生产的制霉色基素(fungichromin)的生物合成基因簇进行分析鉴定。 方法 对S. costaricanus SCSIO ZS0073菌株进行基因组提取,利用Highseq4000和PacBio SMRT技术相结合的手段对该菌株进行了基因组完成图测序;利用生物信息学方法对基因组进行注释并寻找fungichromin的生物合成基因簇,对fungichromin生物合成骨架基因fgmJ1进行置换突变,确定fungichromin生物合成基因簇,结合fungichromin结构特征和其基因簇内遗传信息及聚酮化合物的生物合成原理,对其生物合成途径进行推测。 结果 全基因组测序发现S. costaricanus SCSIO ZS0073菌株基因组含有一条线性染色体和一个圆形质粒,基因组含有36个次级代谢产物生物合成基因簇。利用基因敲除手段对fungichromin的生物合成基因簇进行了确认并进行了生物合成途径推导。 结论 fungichromin生物合成基因簇的确定和生物合成途径的推导为该化合物的基因工程改造研究奠定了分子基础。     

放线菌的次级代谢调控基因与化学调节物

作为放线菌次级代谢产物的抗生素,其生物合成除存在碳源、氮源、磷酸的分解代谢调控外,还存在着与气生菌丝和孢子形成等形态分化相关联的广义调节机理,以及存在各种抗生素生物合成基因簇的转录和翻译过程中的狭义调节机理。前一类型的调节,即担任次级代谢的“开关”。其代表如在灰色链霉菌中极低浓度的A-因子即能诱导链霉素的生物合成及孢子的形成。据报道,具有这种调节功能的低分子化学物质,除A-因子外还有几种。后一类型的调节,其代表如放线紫红素及Biarabusa生物合成基因簇中的调节基因,它具有启动其它合成基因群转录的作用。此外,还应着重指出,象天蓝色     

基因组信息指导下海参共附生Penicillium sclerotiorum SD-36嗜氮酮类化合物的挖掘

目的 结合生物信息学与分子遗传操作技术深入挖掘海参共附生菌核青霉(Penicillium sclerotiorum)SD-36的活性次级代谢产物,并探析其生物合成基因簇中转录调控因子的作用。方法 基于本课题组前期P. sclerotiorum SD-36的基因组信息,利用antiSMASH预测了一条具有合成嗜氮酮类化合物潜力的双PKS基因簇。针对该簇中一个锌指转录因子PsAza1构建了含潮霉素抗性基因和强启动子pgpdA的转录因子基因过表达盒,转化P. sclerotiorum SD-36原生质体后,经过抗性筛选及PCR验证获得阳性转化子OE::PsAza1。发酵培养后HPLC检测次级代谢产物变化并通过qRT-PCR验证基因簇核心基因的转录水平。结果 OE::PsAza1的多种次级代谢产物产量增加,其中两个化合物通过质谱、核磁数据鉴定为活性嗜氮酮类isochromophilone VI和sclerotiorin C,其产量较野生型分别增加了约6倍和4.5倍。qRT-PCR检测该簇中两个聚酮合酶基因及Psaza1基因的转录水平,显示上调60-80倍。结论 首次明确P. sclerotiorum SD-36的双PKS基因簇编码活性嗜氮酮类化合物,且转录因子PsAza1正向调控该簇核心基因的表达水平及化合物产量。本研究结果为P. sclerotiorum SD-36中化合物isochromophilone VI和sclerotiorin C的生物制备及调控研究奠定理论基础。     

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。     

链霉菌的抗生素耐药基因

链霉菌的抗生素耐药基因在抗生素生物合成调控过程中起着重要的作用。同时又是细菌产生耐药性的最根本原因之一，在抗生素的链霉菌中，耐药基因一般与抗生素合成基因紧密连锁，可能是合成基因簇的一部分，在抗生素合成过程中起调节作用。耐药基因可以通过垂直进化（自身突变和选择）和水平进化（基因交换：转化，转导，接合转移）而获得，通过与染色体DNA重组而整合入受体染色体DNA中，或定殖于质粒中，耐药基因一般早于抗生素合成基因表达，诱导耐药性的表达受相应抗生素的诱导，对耐药基因的研究有助于阐明抗生素合成调控途径，筛选抗生素高产菌株，设计更有效的药物。     

表观遗传修饰应用于真菌次级代谢调控研究的最新进展

真菌次级代谢产物的生物合成与其基因簇所在染色体的表观遗传状态密切相关,通过表观遗传修饰能够调控真菌的次级代谢过程。分子表观遗传修饰方法主要通过敲除或过表达表观遗传相关酶类的编码基因,而化学表观遗传修饰方法则是外源加入化学表观遗传修饰酶抑制剂。二者都能促进基因的转录,进而激活沉默的生物合成基因簇,提高真菌次级代谢产物的化学多样性。本文综述了2015年至今的表观遗传修饰应用于真菌次级代谢调控研究的最新进展,就分子表观遗传修饰和化学表观遗传修饰两方面进行阐述,并对两种方法的进行总结与展望。     

LAL途径特异性转录因子研究进展

链霉菌可产生许多具有重要应用价值的次级代谢产物,如抗生素、免疫调节剂、抗肿瘤药物等,它们已经广泛应用于临床医药中。次级代谢产物的生物合成受到转录因子的调控,转录因子通过控制结构基因的转录激活或阻遏解除,决定了表达方式和程度。Lux R家族大ATP结合调控因子(large ATP-binding regulators of the Lux R family,LAL)是一类新的次级代谢途径转录因子,由900~1000个氨基酸残基组成,它的N-端具有Walker A和Walker B模体的ATP/GTP结构域,C-端具有保守的Lux R家族螺旋-转角-螺旋模体的DNA结合域。已在40余种次级代谢产物生物合成基因簇中发现LAL,本文对LAL途径特异性转录调控的研究进展进行综述。     

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。     

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。     

安丝菌素P-3的发酵工艺

考察了珍贵橙色束丝放线菌SIPI-3-21生产安丝菌素P-3(AP-3)的发酵工艺。首先优化了摇瓶发酵培养基配方,在含葡萄糖20.0 g/L、玉米淀粉30.0 g/L、棉籽饼粉30.0 g/L、CaCl2 10.0 g/L和CaCO3 5.0 g/L的发酵培养基中发酵培养9 d,AP-3产量为123.2 mg/L。进一步在摇瓶中考察了前体异丁醇对AP-3合成的影响,结果表明,添加异丁醇可以显著提高AP-3的产量。当其添加浓度为54 mmol/L时,AP-3的产量为307.8 mg/L,同时发酵液中AP-3的含量从57.2%提高到86.5%。     

海洋芽孢杆菌Bacillus methylotrophicus B-9987中difficidins生物合成基因簇的分析鉴定

目的 对海洋芽孢杆菌B-9987中difficidins生物合成基因簇及其关键基因进行分析、鉴定及功能研究。 方法 通过生物信息学手段对difficidins基因簇的基因组成和功能结构域进行了分析；结合其结构特征及聚酮化合物的生物合成原理,初步推导其生物合成途径；构建了烯酰辅酶A水合酶基因difO双交换阻断突变株,对其功能进行初步验证并对基因簇进行确认。 结果 从B-9987发酵液中分离纯化得到化合物oxydifficidin,鉴定了B-9987中该化合物的生物合成基因簇,其是由位于同一个操纵子的15个基因difA-O所编码的反式酰基转移酶聚酮合酶体系组装而成；difO基因阻断后,oxydifficidin不再产生。 结论 difficidins生物合成基因簇的鉴定为后续研究其生物合成途径及相关基因的功能奠定了基础。     

几种调控基因对除虫链霉菌工业生产株的抗生素效价的影响

在模式链霉菌（如天蓝色链霉菌和变铅青链霉菌）中导入许多抗生索生物合成的调控基因可以大幅度提高抗生索的含量。本文报道利用链霉菌的整合质粒克隆几种已知的调控基因。并通过接合转移从大肠埃希菌中导入产生avermectin和多拉菌素的除虫链霉菌工业生产菌株中。发现3种调控基因afiR、aveR和orfX对菌株MMR630中avermectin的含量均可以提高约1倍。但是，以上的3种，加上另外3种调控基因分别导入菌株G11后，发现除aft8提高约13％外，其余调控基因使菌株产生多拉菌素的含量反而有不同程度的降低。将调控基因币B置于链霉菌强启动子PerrnE^＊下表达降低了菌株G11中多拉菌素的含量。上述结果表明，调控基因对不同链霉菌的抗生素生物合成具有不同的影响，反映了抗生素生物合成确实受到了复杂网络的调控。     

头霉素C基因簇大片段敲除促进克拉维酸合成

摘要：目的 本研究以棒状链霉菌(Streptomyces clavuligerus)F613-1为出发菌株，构建头霉素C基因簇中orf10、blp、lat、pcbAB和pcbC 5个完整基因片段(cep)的基因缺失突变菌株，探究头霉素C和克拉维酸(clavulanic acid，CA)生物合成的关系。方法 通过生物活性测定法检测出发菌株F613-1和两株cep片段基因缺失突变菌株(△cep::apra-2和△cep::apra-4)中的头霉素C产量，同时通过HPLC检测上述菌株的生物量以及CA产量，分析头霉素C和CA生物合成之间的关系。结果 与出发菌株F613-1相比，△cep::apra-2和△cep::apra-4菌株的表型没有明显变化；固体发酵168h，F613-1菌株中头霉素C产量为0.8875g/L，△cep::apra-2和△cep::apra-4菌株中的头霉素C产量均为0；液体发酵144h，突变菌株△cep::apra-2和△cep::apra-4中CA产量的分别为4.28和4.26g/L，较F613-1(3.16g/L)分别提高了35%和34%。结论 在头霉素C生物合成能力缺失的情况下，CA产量明显提高，说明头霉素C和CA的生物合成存在明显的竞争作用，这对于探究CA与头霉素C生物合成之间的关系提供有力的证据，并且为提高CA产量提供新思路，对CA的工业生产有一定的指导意义。     

Cloning of the biosynthetic gene cluster for naphthoxanthene antibiotic FD-594 from Streptomyces sp. TA-0256

FD-594 is an unique pyrano[4',3':6,7]naphtho[1,2-b]xanthene polyketide with a trisaccharide of 2,6-dideoxysugars. In this study, we cloned the FD-594 biosynthetic gene cluster from the producer strain Streptomyces sp. TA-0256 to investigate its biosynthesis. The identified pnx gene cluster was 38143 bp, consisting of 40 open reading frames, including a minimal PKS gene, TDP-olivose biosynthetic genes, two glycosyltransferase genes, two methyltransferase genes and many oxygenase/reductase genes. Most of these enzymes coded in the pnx cluster were reasonably assigned to a plausible biosynthetic pathway for FD-594, in which an unique ring opening process via Baeyer-Villiger-type oxidation catalyzed by a putative flavin adenine dinucleotide (FAD)-dependent monooxygenase, is speculated to lead to the unique xanthene structure. To clarify the involvement of pnx genes in the FD-594 biosynthesis, a glycosyltransferase, PnxGT2, and a methyltransferase, PnxMT2, were characterized enzymatically with the recombinant proteins expressed in Escherichia coli. As a result, PnxGT2 catalyzed the triple olivose transfers to the FD-594 aglycon with TDP-olivose as the glycosyl donor to afford triolivoside. Surprisingly, in the PnxGT2 enzymatic reaction, tetraolivoside and pentaolivoside were significantly detected along with the expected triolivoside. To our knowledge, PnxGT2 is the first contiguous oligosaccharide-forming glycosyltransferase in secondary metabolism. Furthermore, addition of PnxMT2 and S-adenosyl-L-methionine into the PnxGT2 reaction mixture afforded natural FD-594 to confirm that the PnxGT2 reaction product was the expected regiospecifically glycosylated compound. Consequently, the identified pnx gene cluster appears to be involved in FD-594 biosynthesis.     

Partial activation of a silent angucycline-type gene cluster from a rubromycin beta producing Streptomyces sp. PGA64

In the course of DNA-fingerprinting our strain collection for antibiotic biosynthesis genes, two different type II polyketide synthase (PKS) gene clusters were observed from Streptomyces sp. PGA64. Phylogenetic analysis placed these together with known rubromycin and angucycline biosynthetic gene clusters. The host strain itself has a very clean production profile of secondary metabolites, which composes mainly of rubromycin beta under typical fermentation conditions. Sequencing of a 16.5 kb fragment from the putative angucycline cluster revealed eight genes that were homologous to typical type II PKS genes responsible for synthesizing aromatic polyketides. These genes were especially similar to genes from known angucycline biosynthetic gene clusters and also synteny to these clusters was observed. In addition, three genes were recognized that are needed for priming the minimal PKS complex before polyketide synthesis can initiate, but which are not normally found to cluster with antibiotic biosynthesis genes. A putative repressor gene that was dissimilar to repressor genes found from well-characterized antibiotic biosynthesis gene clusters was also discovered. Gene disruption of the repressor resulted in partial activation of the cluster and production of two angucycline metabolites, UWM6 and rabelomycin. The results confirm that the DNA-fingerprinting method we have developed can be used to correctly detect compounds that are not visible in chemical screens.     

不吸水链霉菌中沉默基因簇的激活和产物结构鉴定

不吸水链霉菌S.ahygroscopicus S91(CGMCC4.7082)的次级代谢产物中含有多种抗真菌组分，目前已发现的组分有四霉素、制霉菌素、丰加霉素、白诺菌素和茴香霉素。通过生物信息学分析，不吸水链霉菌S91基因组中含有云南霉素和谷氏菌素的生物合成基因簇，但目前在该菌株发酵产物中并没有检测到这两种抗生素的存在。对四霉素、制霉菌素、丰加霉素生物合成阻断株Streptomyces ahygroscopicus ΔttmS1ΔnysBΔtymH进行发酵培养，发现其发酵液中具有水溶性的抑制黑曲霉的活性组分。以抑菌活性跟踪目标未知抑菌化合物，发酵液经离心、草酸酸化后，上清液经大孔吸附树脂DM-2脱色，脱色液经732阳离子交换、中性氧化铝柱柱层析和Sephadex LH-20色谱分离，最终得到两个具有抗真菌的化合物A和B。化合物经紫外、质谱和核磁进行结构鉴定，化合物A为云南霉素，B为谷氏菌素或宁南霉素。生物信息学分析与分离纯化技术相结合，进一步证实该菌株具有产生云南霉素和谷氏菌素抗生素的能力。     

农杆菌转化法高效构建顶头孢霉sorA和sorB双缺失菌株提高头孢菌素C产量

目的 获得顶头孢霉sorA和sorB双缺失菌株，以阻断sorbicillinoids的合成，并研究其与头孢菌素C(CPC)产量的关系。方法 通过根癌农杆菌转化法，依据同源双交换的原理，同时敲除合成sorbicillinoids骨架结构的两个聚酮合酶基因sorA和sorB，并通过摇瓶发酵实验检测缺失菌和野生菌的产量。结果 筛选并验证了6株A. chrysogenum-?pks菌株，遗传稳定，转化效率约为20%。通过发酵实验测定发现，缺失菌株产CPC能力比野生菌提高了70%。结论 农杆菌转化法是一个高效的顶头孢霉遗传操作系统，并且顶头孢霉中sorbicillinoids的缺失可以提高CPC产量。     

微生物次级代谢产物生物合成基因簇与药物创新

微生物产生众多结构和生物活性多样的次级代谢产物，其生物合成基因簇的克隆是药物创新和产量提高的必要前提。迄今为止已有超过150种生物合成基因簇通过各种方式被克隆，并被用于组合生物合成、体外糖类随机化、代谢工程的定向改造。我们研究室已经克隆并测定了氨基糖苷类井冈霉索／有效霉索、多烯类抗生素FR-008／克念菌索、聚醚类南昌霉索、聚酮类梅岭霉索、杂合聚酮一多肽类略唑霉索等生物合成基因簇。深入的基因功能分析揭示了他们独特的生物合成途径和调节机理，为正在进行的组合生物合成结构改造和代谢工程产量提高奠定了基础。