链霉菌来源的苯并异色烷醌家族抗生素的生物合成

苯并异色烷醌(benzoisochromanequinones,BIQs)家族抗生素是由链霉菌产生的聚酮类抗生素,其芳香聚酮母核结构中含有并联的两个芳香环和一个吡喃环,具有抗菌、抗肿瘤等多种生物学活性。BIQ抗生素聚酮链的早期生物合成过程代表了芳香聚酮抗生素母核的典型合成机制,而不同的后期修饰则决定了它们结构和生物学活性的多样性。在过去的二十几年中,以放线紫红素和美达霉素为研究重点,BIQ家族抗生素的生物合成机制逐渐得到揭示,但在后期结构修饰方面仍有许多问题有待解决。本文对BIQ家族抗生素的生物合成机制研究进行了综述,比较了不同BIQ家族抗生素结构特点、生物学活性,并重点阐述了它们生物合成中的后期结构修饰和调控过程的研究进展,并对BIQ抗生素在代谢工程方面的研究进行了展望。     

链霉菌育种进展

链霉菌是放线菌中最重要的一属,它产生绝大部分抗生素和其它众多活性物质。随着分子生物学的发展,链霉菌育种技术也日益多样。本文从基因突变与育种,遗传重组与育种、基因表达调控与代谢调节育种、基因工程与定向育种等四个方面综述链霉菌育种的进展。     

抗生素AGPM生物合成途径的初步研究

采用前体添加实验法、静息细胞培养法以及酶抑制剂法对藤黄灰链霉菌中抗生素AG PM生物合成途径进行了初步探讨。研究表明能转化成聚酮合成所需活性前体的氨基酸如异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、谷氨酸等以及短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸盐对抗生素AGPM合成均有明显促进作用 ;另外 ,在培养基中添加脂肪酸和聚酮生物合成途径的专一性抑制剂浅蓝菌素 (2 5μg mL)或脂肪酸合成抑制剂碘乙酰胺 (0 5mmol L)时 ,菌体生长不受影响 ,而抗生素AGPM合成受到强烈抑制 ,分别为对照的 35 3 %和 2 6 2 % ;     

链霉菌中高效生产聚酮化合物的研究方法及进展北大核心CSCD

聚酮化合物是通过聚酮合成途径产生的一大类结构和生物活性多样的次级代谢产物,是链霉菌产生的主要次级代谢产物,具有重要的经济价值。为了在链霉菌中提高聚酮化合物产量,以满足工业生产需求,近年来,代谢工程的方法被广泛应用,例如,过表达合成途径中限速酶或途径特异性激活蛋白、强化前体供应、去除产物反馈抑制、合成基因簇异源表达等。本文将从代谢工程改造实例入手,全面综述链霉菌中聚酮化合物高效生物合成的研究方法及进展,并对利用合成生物学策略智能动态适配各个相关途径,进而提高该类化合物产量的研究思路进行展望。     

圈卷产色链霉菌分化及其特性的研究

链霉菌分化的分子生物学研究是一个饶有兴趣并富有挑战性的世界前沿研究课题.在原核生物的分化研究中,主要以枯草杆菌(Bacillus subtilis)作为模式系统,但枯草杆菌的生命周期尤其是分化过程远比链霉菌简单,不象链霉菌有基质菌丝、气生菌丝、菌丝螺旋和孢子分隔那样的发育分化过程[1].在真核生物中也有分化研究的报道,如构巢曲霉、酵母等.由于真核生物的基因结构比原核生物复杂得多,弄清分化中基因调控的关系就更加困难.因此,选用链霉菌作分化研究的材料有其独一无二的优越性.国际上有关链霉菌的分子生物学研究,近年来主要以链霉菌的抗生素生物合成基因和链霉菌的分化基因两个大的方面作为研究的热点和主攻方向,并展开了一些开拓性的研究.     

聚酮类化合物生物合成基因簇与药物筛选

由微生物和植物产生的聚酮类化合物的数量极其庞大,是一大类结构多样化和生物活性多样性的天然产物,已经成为新药的重要来源.介绍了3种类型聚酮类化合物生物合成基因簇的特点,即以模块形式存在的I型聚酮合酶,包含一套可重复使用结构域的Ⅱ型聚酮合酶以及不需要ACP参与,以植物中的查耳酮合酶为代表的Ⅲ型聚酮合酶.同时,还介绍了基于3种类型聚酮类化合物生物合成基因的特点,利用分子生物学方法构建筛选探针,进行当前药物基因筛选的进展.     

以吸水链霉菌应城变种为宿主的一系列基因克隆体系的发展

对链霉菌分子生物学的兴趣有一个十分突出的特点,就是人们感兴趣的菌种非常广泛,这个特点出自对不同的抗生素和细胞外酶生物合成遗传调控研究的需要。吸水链霉菌应城变种就是这类有趣菌种中的一员。 吸水链霉菌应城变种具有下述有趣的特征:(一)它产生三种不同结构的农用抗生素,一种为氨基糖苷类抗生素,与有效霉素A(Validamycin)的结构相类似,对水稻病原菌中的丝核菌类(如纹枯病,小核菌核病),具有良好防效。     

一个可介导链霉菌PKS基因 向植物转化的杂合质粒的构建

抗生素FR-008是由链霉菌FR-008所产生的一种七烯大环内酯类抗真菌抗生素。胡志浩等已克隆了长达约105kb的FR-008聚酮合酶(PKS)基因簇,对该基因簇中相邻于pabAB基因下游的3.8kbDNA进行序列分析,找到一个多功能聚酮合酶基因的起点,与数据库中蛋白质序列的比较分析揭示出一个尚未结束的大型开读框架的存在,它与抗细菌大环内酯类抗生素-红霉素生物合成所需的Ⅰ型聚酮合酶(PKS)基因中的乙酰转移酶(AT)和β-酮酰合酶(KS)的功能结构域显示出了高度的同源性,从分子水平上证实了FR-008抗生素由Ⅰ型PKS所合成。本实验将3.8kb中的编码聚酮合酶的部分开读框架通过基因工程的方法插入植物表达载体WRG2410上,从而成功构建了表达性质粒pHZ321。     

脂肪酸代谢途径影响聚酮化合物生物合成的机制及应用研究进展

聚酮化合物（PKs）作为一大类次级代谢产物，有着重要的生物活性和潜在的应用价值。链霉菌具有合成多种聚酮化合物的潜力，但野生型菌株合成聚酮化合物的产量难以满足工业化生产的需求。贮藏脂质的降解能为聚酮化合物生物合成提供大量的酰基CoA前体，因此，控制好脂肪酸与聚酮化合物生物合成通量，有利于促进目标聚酮化合物的合成。本文综述了强化脂肪酸β-氧化途径提高聚酮化合物产量的研究进展，为利用β-氧化途径促进聚酮化合物生物合成提供了新的研究策略。     

链霉菌负调控因子突变筛选系统的构建

摘要:【目的】构建用于阻遏链霉菌隐性次级代谢基因簇表达的负调控因子筛选的报告系统。【方法】通过“REDIRECT (Rapid Efficient Directed Recombination Time Saving)”技术结合链霉菌温和噬菌体BT1整合酶的体内位点特异性重组技术,对链霉菌中多基因进行无痕敲除。以链霉菌隐性次级代谢基因簇中受阻遏的启动子驱动链霉菌中保守的inoA 构建报告质粒,针对阻遏次级代谢基因簇表达的负调控基因的突变进行检测,以验证报告系统的可行性。【结果】本研究首先通过对天蓝色链霉菌的肌醇从头合成途径关键酶基因inoA,及合成黄色聚酮类隐性抗生素(yellow cryptic polyketide,yCPK)的途径特异性负调控基因scbR2依次进行了无痕敲除,以构建进一步筛选所用的受体菌,再以scbR2阻遏的cpkO启动子控制inoA 的表达构建了报告质粒pIJ8660::PcpkO::inoA。结果显示沉默的cpkO 启动子在突变的受体菌中被激活并使inoA得到了表达,可以使inoA的光秃型突变表型在不添加肌醇的培养基上恢复到产孢的野生型表型。【结论】inoA可以作为新的链霉菌普遍适用的报告基因,可方便地通过表型变化的观察进行筛选,同时可针对性对负调控基因的突变进行检测,可应用于链霉菌隐性抗生素激活的研究。     

Metabolic pathway engineering for complex polyketide biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae

Polyketides are a diverse group of natural products with significance in human and veterinary medicine. Because polyketides are structurally complex molecules and fermentation is the most commercially viable route of production, a generic heterologous host system for high-level polyketide production is desirable. Saccharomyces cerevisiae has been shown to be an excellent production host for a simple polyketide, yielding 1.7 g of 6-methylsalicylic acid per liter of culture in un-optimized shake-flask fermentations. However, a barrier to the heterologous production of more complex 'modular' polyketides in S. cerevisiae is the lack of required polyketide precursor pathways. In this work, we describe the introduction into S. cerevisiae of pathways for the production of methylmalonyl-coenzyme A (CoA), a precursor for complex polyketides, by both propionyl-CoA-dependent and propionyl-CoA-independent routes. Furthermore, we demonstrate that the methylmalonyl-CoA produced in the engineered yeast strains is used in vivo for the production of a polyketide product, a triketide lactone.     

Optimization of heterologous production of the polyketide 6-MSA in Saccharomyces cerevisiae

Polyketides are a group of natural products that have gained much interest due to their use as antibiotics, cholesterol lowering agents, immunosuppressors, and as other drugs. Many organisms that naturally produce polyketides are difficult to cultivate and only produce these metabolites in small amounts. It is therefore of general interest to transfer polyketide synthase (PKS) genes from their natural sources into heterologous hosts that can over-produce the corresponding polyketides. In this study we demonstrate the heterologous expression of 6-methylsalicylic acid synthase (6-MSAS), naturally produced by Penicillium patulum, in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In order to activate the PKS a 4'-phosphopantetheinyl transferase (PPTase) is required. We therefore co-expressed PPTases encoded by either sfp from Bacillus subtilis or by npgA from Aspergillus nidulans. The different strains were grown in batch cultures. Growth and product concentration were measured and kinetic parameters were calculated. It was shown that both PPTases could be efficiently used for activation of PKS's in yeast as good yields of 6-MSA were obtained with both enzymes.     

基于活性和基因从海洋微生物中筛选烯二炔类抗生素

【目的】高质量的海洋微生物菌种库及其天然产物库是新药开发的重要来源。在本研究中我们通过筛选新的烯二炔类抗生素来对已经构建的海洋微生物天然产物库进行质量评价。【方法】首先我们根据烯二炔类抗生素能引起DNA断裂的活性构建了活性筛选模型,并对我们的天然产物库进行筛选;其次根据合成烯二炔核心结构的独特且保守的重复I型聚酮合成酶设计了引物,通过PCR扩增的方法对海洋微生物库进行序列筛选。【结果】通过活性筛选从我们的海洋微生物天然产物库中获得一个阳性的发酵产物。对该阳性菌(LS481)的系统发育学分析表明该菌属于能产生烯二炔类化合物—Dynemicin的Micromonospora chersina,对其发酵产物TLC分析证明该菌确实产生Dynemicin类化合物。通过基因筛选得到了2个具备合成烯二炔核心结构聚酮合成酶的菌株,16S rRNA基因分析显示其中一个很可能为灰色链霉菌(MS098),另外一株菌则同Streptomyces vinaceus NBRC 13425T和Streptomyces cirratus NRRLB-3250T最相近。【结论】我们的活性筛选模型能够有效获得烯二炔类物质,结合基因筛选能够进一步获得可能产生烯二炔物质的菌株。初筛结果也再一次验证了我们海洋微生物天然产物库的质量较好。     

异源生物合成聚酮化合物的研究进展

聚酮是一大类具有重要生物活性的天然产物,其生物合成途径复杂多样。利用异源宿主合成聚酮化合物要比使用天然生产菌有很多优点。异源宿主的选择是异源生物合成聚酮的关键。这种宿主必须能够大量表达大分子聚酮合成酶(300 kDa或更大)且能够大规模的转译后修饰这些蛋白;还要能够形成大量的像丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA等细胞内起始单元。随着各种技术的不断进步,异源宿主很可能成为大规模生产聚酮化合物的一个强有力平台。本文对聚酮合成酶,异源生产聚酮的优点、条件和应用都有所阐述。     

Structure and mechanism of chalcone synthase-like polyketide synthases

Polyketide synthases (PKS) produce an array of natural products with different biological activities and pharmacological properties by varying the starter and extender molecules that form the final polyketide. Recent studies of the simplest PKS, the chalcone synthase (CHS)-like enzymes involved in the biosynthesis of flavonoids, anthocyanin pigments, and antimicrobial phytoalexins, have yielded insight on the molecular basis of this biosynthetic versatility. Understanding the structure–function relationship in these PKS provides a foundation for manipulating polyketide formation and suggests strategies for further increasing the scope of polyketide biosynthetic diversity. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 393–398. Received 14 June 2001/ Accepted in revised form 15 July 2001     

宏基因组文库技术获得聚酮化合物

聚酮化合物是一类重要的具有生物活性的次级代谢物。由于运用传统方法从自然界中直接筛选新型天然聚酮化合物的重现率很高, 近年来出现了很多开发新型聚酮化合物的新方法, 文章主要介绍通过环境宏基因组文库获得新聚酮类化合物的方法。     

Cloning and characterization of a bacterial iterative type I polyketide synthase gene encoding the 6-methylsalicyclic acid synthase

Unusual polyketide synthases (PKSs), that are structurally type I but act in an iterative manner for aromatic polyketide biosynthesis, are a new family found in bacteria. Here we report the cloning of the iterative type I PKS gene chlB1 from the chlorothricin (CHL) producer Streptomyces antibioticus DSM 40725 by a rapid PCR approach, and characterization of the function of the gene product as a 6-methylsalicyclic acid synthase (6-MSAS). Sequence analysis of various iterative type I PKSs suggests that the resulting aromatic or aliphatic structure of the products might be intrinsically determined by a catalytic feature of the paired KR-DH domains in the control of the double bond geometry. The finding of ChlB1 as a 6-MSAS not only enriches the current knowledge of aromatic polyketide biosynthesis in bacteria, but will also contribute to the generation of novel polyketide analogs via combinatorial biosynthesis with engineered PKSs.     

Genetic approaches for controlling ratios of related polyketide products in fermentation processes

Simple acyl thioesters are used as precursors for both the initiation and elongation steps in polyketide biosynthetic processes. Several structurally related polyketide products are sometimes made in these processes. These analogs are typically generated by a combination of two factors: availability of structurally similar biosynthetic precursors, and biosynthetic enzymes unable to effectively discriminate between them. Often, only one polyketide product is desired from a fermentation process, requiring a method to control the ratio of these different analogs. Preferential production of one desired analog is accomplished using random mutagenesis and manipulation of fermentation conditions. A genetic enzymatic understanding of polyketide biosynthesis, as well as the pathways that provide the relevant precursors, allows for a rational and more contemporary approach for control of analogs produced in fermentation processes. This approach involves genetic manipulation of either the pathways that provide pools of the acyl CoA thioester precursors, or the function/specificity of the appropriate biosynthetic enzymes. Reviewed herein are three such examples where these approaches have been carried out successfully with polyketide biosynthetic processes. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 368–377. Received 01 March 2001/ Accepted in revised form 08 August 2001     

苯二酚内酯合成途径中的聚酮合酶组合表达研究

由真菌聚酮合酶合成的苯二酚内酯类次生代谢产物结构和功能多样,在医药和农业上具有广泛的用途。苯二酚内酯由一对还原型聚酮合酶和非还原型聚酮合酶协同生物催化合成。还原型聚酮合酶和非还原型聚酮合酶由多功能结构域组成,每个结构域在生物合成的过程中程序化地执行特定的功能。通过交换不同真菌苯二酚内酯合成途径中非还原型聚酮合酶的起始物酰基转移酶结构域,在酿酒酵母中与相应的还原型聚酮合酶组合表达,合成了“非天然”的苯二酚内酯聚酮产物,并初步讨论了起始物酰基转移酶结构域的识别规律。