林可链霉菌NRRL 2936中帕马霉素生物合成基因簇的异源 表达及调控基因功能研究

【背景】帕马霉素属于大环内酯类抗生素,具有较好的抗感染活性。该类化合物独特的化学结构和显著的生理活性受到了许多研究者的关注。同时,本实验室在林可链霉菌NRRL2936的全基因组序列中发现了帕马霉素的生物合成基因簇。【目的】尽管其生物合成途径已经得到了解析,但其生物合成基因簇中的2个调控基因功能尚不清楚。本研究从林可链霉菌NRRL2936的基因组文库中克隆了含有帕马霉素生物合成完整基因簇的质粒pJQK450,开展了质粒pJQK450在链霉菌中的异源表达,实现了帕马霉素的异源合成,并初步确定该生物合成基因簇中两个调控基因的功能。【方法】利用聚合酶链式反应递缩基因组文库筛选的方法,从林可链霉菌(Streptomyces lincolnensis)NRRL 2936基因组文库中筛选到了含有帕马霉素生物合成完整基因簇的Fosmid质粒pJQK450。然后,将该质粒转化到E.coli ET12567/pUZ8002中,利用大肠杆菌-链霉菌双亲接合转移的方法将pJQK450转入异源宿主中。对获得的异源表达菌株进行发酵产物的制备,采用耻垢分枝杆菌mc2155作为指示菌株进行帕马霉素生物活性测试,并结合LC-MS的分析确定帕马霉素的产生情况。最后,通过基因失活与回补的方法,考察帕马霉素生物合成基因簇中调控蛋白PamR1和PamR2对帕马霉素生物合成的影响。【结果】帕马霉素生物合成基因簇在天蓝色链霉菌M1154中实现了表达,证明PamR1和PamR2负调控了帕马霉素生物合成的过程。【结论】帕马霉素完整基因簇的成功异源表达,一方面便于其生物合成途径的遗传改造,为帕马霉素的生物合成及优产改造研究奠定了基础;另外,调控基因功能的研究为帕马霉素的产量优化提供了改造的目标。     

Fostriecin产生菌Streptomyces pulveraceus遗传转化体系的建立与优化

【目的】建立并优化链霉菌Fostriecin产生菌Streptomyces pulveraceus的遗传转化系统。【方法】以整合型质粒pSET152为出发质粒,通过供体菌E.coli ET12567/pUZ8002与受体菌Streptomyces pulveraceus进行接合转移。【结果】确定了链霉菌Streptomyces pulveraceus的最佳接合转移条件:培养基为终浓度含15%甘氨酸的MS培养基;孢子热激条件为50°C 10 min;阿伯拉霉素覆盖的时间为18 h,终浓度为20 mg/L。同时,把组成型启动子ermE+与绿色荧光蛋白基因(gfp)克隆到pSET152载体上,通过接合转移整合到该链霉菌中,gfp获得表达。【结论】建立Fostriecin产生菌的遗传转化系统,并发现甘氨酸能显著提高链霉菌的接合转移效率。     

适用于链霉菌大片段基因组DNA 克隆和异源表达的细菌人工染色体(BAC)载体的构建及应用

【目的】很多链霉菌来源的天然产物的生物合成基因簇往往很大,用传统的cosmid载体很难完整的克隆和异源表达。本研究通过载体改造,成功构建出一个新的细菌人工染色体(BAC)载体,用于链霉菌来源的天然产物生物合成基因簇的克隆及异源表达实验。【方法】从复合型载体pCUGIBAC1出发,通过λRED介导的PCR-targeting方法,用链霉素抗性基因替换掉原有的氯霉素抗性基因标记,同时插入链霉菌中常用的安普拉霉素抗性标记、转移起始位点oriT、φC31整合酶基因int、整合位点attP等元件。【结果】成功构建出可装载链霉菌大片段DNA的BAC载体pMSBBACs。使用pMSBBACs构建出链霉菌U27的基因组BAC文库,平均插入片段大小为100 kb。选取其中一个大小为140 kb的BAC质粒进行功能验证,实验证明通过接合转移和原生质体转化的方法都能够将这个大型BAC质粒导入链霉菌模式菌株,并通过位点特异性重组整合到染色体中进行异源表达。【结论】BAC载体pMSBBACs可成功用于放线菌大片段基因组DNA的克隆和异源表达实验。     

链霉菌Streptomyces antibioticus NRRL 8167中Naphthgeranine A生物合成基因簇的分析鉴定

【背景】微生物来源的天然产物是小分子药物或药物先导物的重要来源。对链霉菌Streptomyces antibioticus NRRL 8167的基因组分析显示,其包含多个次级代谢产物的生物合成基因簇,具有产生多种新化合物的潜力。【目的】对链霉菌S. antibioticus NRRL 8167中次级代谢产物进行研究,以期发现结构新颖或生物活性独特的化合物,并对相应产物的生物合成基因簇和生物合成途径进行解析。【方法】利用HPLC图谱结合特征性紫外吸收和LC-MS方法,排除S. antibioticus NRRL 8167产生的已知化合物,确定具有特殊紫外吸收的化合物作为挖掘对象,然后利用正、反相硅胶柱色谱、高效液相色谱等技术对次级代谢产物进行分离纯化,分离化合物。利用质谱及核磁共振光谱技术对化合物结构进行解析和鉴定;提取链霉菌S. antibioticus NRRL 8167基因组DNA,利用PacBio测序平台进行基因组测序;利用生物信息学对基因组进行注释,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】确定这个化合物是NaphthgeranineA,属于聚酮类化合物。全基因组序列分析发现S.antibioticusNRRL8167基因组含有28个次级代谢产物生物合成基因簇,其中基因簇20可能负责Naphthgeranine A的生物合成,并对其生物合成途径进行了推导。【结论】基于紫外吸收光谱和质谱特征,从S. antibioticus NRRL 8167菌株的发酵提取物中分离鉴定了一个聚酮类化合物Naphthgeranine A。该菌株的全基因组测序为其生物合成基因簇的鉴定提供了前提,对Naphthgeranine A生物合成基因簇和生物合成途径的推测为进一步研究这个化合物的生物合成机制奠定了基础。     

卡西霉素生物合成基因簇中调控基因calR1的功能

【背景】卡西霉素(calcimycin)是重要的离子载体抗生素,其生物合成基因簇已从教酒链霉菌NRRL3882的基因组DNA中成功克隆,但基因簇内的部分生物合成基因及调控基因的功能有待研究。【目的】研究卡西霉素产生菌教酒链霉菌NRRL3882中编码TylR家族同源转录调控蛋白的calR1基因的功能。【方法】通过PCR-targeting的方法,构建calR1基因敲除突变株及回补菌株,对突变菌株及回补菌株进行发酵,通过HPLC分析其代谢产物。利用荧光定量PCR检测ΔcalR1突变菌株和野生菌株的生物合成基因转录水平。【结果】calR1基因敲除突变株丧失产生卡西霉素的能力,但仍有中间产物噻唑霉素的积累,回补菌株中卡西霉素的产量有一定程度的恢复。RT-qPCR结果表明,卡西霉素合成相关的一些重要基因calC、calG、calU3等基因的表达量明显改变。【结论】TylR家族转录调控基因calR1是卡西霉素生物合成的调控基因。     

台勾霉素生产菌指孢囊菌NRRL 18085遗传操作体系的建立

【目的】建立新型大环内酯类抗生素台勾霉素的生产菌指孢囊菌Dactylosporangium aurantiacum NRRL18085的遗传操作体系,实现台勾霉素相关生物合成基因的敲除突变。【方法】以整合型质粒pSET152为载体,建立了外源DNA通过接合转移进入指孢囊菌NRRL18085的操作方法和培养条件,利用PCR-targeting系统在体外构建了一个台勾霉素卤化酶基因敲除的cosmid质粒,通过接合转移转入到指孢囊菌NRRL18085野生菌中。【结果】获得了台勾霉素卤化酶基因敲除的指孢囊菌NRRL18085的双交换突变株,该突变株失去了产生台勾霉素的能力。【结论】成功建立和优化了指孢囊菌NRRL18085菌株的遗传操作体系,使得在体内分析和鉴定台勾霉素生物合成基因的功能成为可能,同时也为建立其他类似放线菌的遗传操作体系提供了参考。     

杀念菌素/FR-008生物合成途径中转运基因fscTI与fscTII的功能

摘要:【目的】分析杀念菌素/FR-008 生物合成途径中转运基因fscTI和fscTII的功能。【方法】构建转运基因fscTI和fscTII的敲除质粒pJTU4137,并通过接合转移和同源重组双交换的方法得到转运基因缺失突变株。转运基因fscTI和fscTII也被克隆到高拷贝质粒pJTU1278上用于在链霉菌FR-008(Streptomyces sp．FR-008)的衍生菌株ZYJ-6中进行转运蛋白的过量表达。【结果】获得了转运蛋白缺失的双交换突变株LX10,发酵结果显示该突变株不再产生杀念菌素及其衍生物;过量表达转运蛋白的基因工程菌株LX11,其杀念菌素的产量约是对照菌株的1.5倍。【结论】体内遗传实验进一步证实FR-008生物合成途径中的fscTI和fscTII是ATP依赖的ABC转运基因,fscTI与fscTII的过量表达增加了杀念菌素的产量,为利用此方法提高其它多烯类抗生素的产量提供了例证。     

一种适用于链霉菌异源合成基因簇同框缺失的高效方法

【背景】对抗生素生物合成途径的阐明有助于提高目标化合物的产量并开发具有更高活性的新化合物。基因的同框缺失是天然产物生物合成研究的常规手段,通过分析突变菌株积累的中间产物,可以帮助推导天然产物的合成途径及相关基因的功能。天然产物生物合成基因簇的大小一般在20 kb以上,对每个基因进行同框缺失耗时耗力,因此,优化链霉菌来源的基因同框缺失的方法有重要的意义。【目的】基于PCR-targeting重新设计了一套在链霉菌柯斯文库质粒上进行基因同框缺失的方法,实现链霉菌基因在大肠杆菌中快速、高效的基因同框缺失的技术体系。【方法】使用氨苄青霉素抗性基因bla作为PCR-targeting DNA片段的筛选标记,同时使用体外的Pac I酶切和酶连系统代替体内的Flp/FRT系统来介导同框缺失的构建。【结果】利用这种方法,在6 d内完成了米多霉素生物合成基因簇中14个基因的同框缺失。【结论】此方法与传统的PCR-targeting方法相比,构建同框缺失载体的效率明显提高;Pac I识别序列在链霉菌基因组上的稀有性使得此方法在构建抗生素生物合成基因簇必需基因的同框缺失载体上具有普适性。     

潮霉素A的生物合成研究进展

潮霉素A是一种从吸水链霉菌中发现的具有广谱生物学活性的抗生素。它在吸水链霉菌Streptomy-ces hygroscopicus NRRL 2388中的生物合成基因簇已被克隆并测序,其生物合成机制、遗传操作等方面的研究也取得了一定的进展。就潮霉素A的化学结构、生物合成基因簇的组织结构、生物合成和抗性机制等方面的研究进展进行综述。     

阿维链霉菌NRRL8165中bldAA的克隆及其对形态分化与阿维菌素合成的影响

bldA编码天蓝色链霉菌中唯一有效识别UUA亮氨酸密码的tRNA（Leu）UUA。通过构建阿维链霉菌NRRL8165基因组亚文库,筛选得到含有阿维链霉菌bldA。及其侧翼序列的克隆。利用λRED介导的PCR targeting技术构建了bldA。的基因置换质粒pHL358,将其跨属接合转移进入阿维链霉菌NRRL8165,筛选得到bldA。基因置换菌株TW10。TW10表现为光秃表型,表明bldA。调控阿维链霉菌的形态分化。摇瓶发酵TW10菌株并对发酵产物进行HPLC分析,发现TW10菌株均不合成阿维菌素组分,提示阿维菌素的合成受bldA。调控;考察阿维菌素生物合成基因簇,其中areA3和aveR含有TTA密码,它们的翻译可能受bldA。调控,与实验结果一致。     

稀有放线菌Lechevalieria rhizosphaerae NEAU-A2的次级代谢产物研究及遗传操作系统的建立

【背景】菌株Lechevalieria rhizosphaerae NEAU-A2是一株新的稀有放线菌,其基因组中包含多个与次级代谢产物生物合成相关的基因簇,具有产生丰富代谢产物的潜力。【目的】对稀有放线菌L. rhizosphaerae NEAU-A2的次级代谢产物进行研究,以期发现结构新颖或生物活性独特的化合物,并建立其遗传操作系统。【方法】应用硅胶柱色谱和高效液相色谱等方法对菌株NEAU-A2的次级代谢产物进行分离和纯化,整合质谱分析、核磁共振等方法进行结构解析。在对该菌株全基因组测序的基础上,以基因组序列中编码杂合的聚酮合酶-非核糖体肽合成酶(PolyketideSynthase-Nonribosomal Peptide Synthetase,PKS-NRPSs)基因1609为目标基因,利用PCR-Targeting介导的基因置换技术构建重组质粒,通过接合转移的方式导入野生菌株。【结果】从菌株NEAU-A2中分离鉴定了2个新的吲哚二聚化合物(1,2)和5个已知化合物N-乙酰色胺(3)、4-((2-(1H-Indol-3-Yl)Ethyl)Amino)-4-Oxobutanoic Acid (4)、Brevianamide F (5)、4S,7R-Germacra-1(10)E,5E-Diene-11-Ol (6)、1H-吡咯-2-羧酸(7)。接合子通过培养2代即可获得双交换突变菌株,PCR分析结果显示PKS-NRPS基因被成功中断。【结论】从稀有放线菌L. rhizosphaerae NEAU-A2中分离鉴定出7个化合物,并成功建立了该菌的遗传操作系统。     

卡伍尔氏链霉菌NA4的Ⅱ型聚酮基因簇的靶向激活及其产物鉴定

【目的】以基因组信息为导向,定向激活海洋来源卡伍尔氏链霉菌（Streptomyces cavourensis） NA4中沉默的Ⅱ型聚酮类次级代谢产物生物合成基因簇,鉴定新产生的次级代谢产物的结构和抑菌活性。【方法】通过添加启动子和敲除负调控基因的方法激活实验室培养条件下沉默或低表达的生物合成基因簇,并完成目标化合物的分离与纯化,通过电喷雾质谱（electrospray ionization-mass spectrometry,ESI-MS）和核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）数据分析鉴定目标化合物结构,对目标化合物进行抑菌活性鉴定,基于生物信息学信息推导化合物的生物合成途径。【结果】根据基因组生物信息学分析,从海洋来源链霉菌Streptomyces cavourensis NA4中选取一个编码PKSⅡ型次级代谢产物的生物合成基因簇开展研究,成功激活目标基因簇,从中分离到1个PKSⅡ型化合物,推导了其生物合成途径并进行了抑菌活性鉴定。【结论】基因组导向下的天然产物挖掘,可以目标明确地分离产物,充分挖掘链霉菌编码次级代谢产物的潜力。     

基于基因组挖掘的农抗120活性成分制霉菌素和丰加霉素的发现和鉴定

【目的】分析刺孢吸水链霉菌北京变种(农抗120产生菌)基因组和次级代谢产物组分,研究并鉴定农抗120产生菌中未被发现的活性组分。【方法】利用antiSMASH在线分析农抗120产生菌Streptomyces hygrospinosusvar.beijingensis基因组信息,锁定可能的制霉菌素和丰加霉素生物合成基因簇。利用HPLC和LC-MS等分析方法对农抗120产生菌发酵产物进行分析,同时利用制霉菌素和丰加霉素标准品作为对照,以鉴定该菌株代谢组分中的次级代谢产物。此外,通过构建目标基因簇大片段缺失突变株,并对所得突变株发酵产物进行检测,以确定生物合成基因簇与目的代谢产物的对应关系。【结果】本研究综合利用基因组序列分析、基因缺失突变株构建以及代谢产物检测方法,鉴定了农抗120产生菌中制霉菌素和丰加霉素两种活性成分,并确定了负责这些化合物合成的基因簇。【结论】本研究所构建的多重基因簇失活突变株为挖掘刺孢吸水链霉菌北京变种更多的天然次级代谢产物奠定了基础。     

产褪黑素绿色木霉工程菌的构建及生理特性分析

【背景】褪黑素(melatonin)是动植物内广泛存在的一种小分子生物胺类物质,在促进生物生长和提高环境耐受性等方面发挥重要作用。木霉(Trichoderma)既是重要的生防菌株也是高效的工业产品生产菌株,能够合成丰富的代谢产物。【目的】针对目前木霉菌株中还未发现褪黑素合成的问题,构建具有褪黑素合成能力的绿色木霉(Trichoderma viride)工程菌,并对其生理特性进行研究。【方法】在绿色木霉Tv-1511中异源表达了来源于人基因组的芳烷基胺N-乙酰转移酶(aralkylamineN-acetyltransferase,AANAT)编码基因hAANAT和乙酰复合胺-O-甲基转移酶(acetylserotonin-O-methyltransferase,ASMT)编码基因hASMT,高效液相色谱法(highperformance liquid chromatography, HPLC)检测了木霉工程菌合成褪黑素的产量,并利用生化方法检测了工程菌的生长、抗逆及对植物的促生抗病能力。【结果】获得了具有褪黑素合成能力的绿色木霉工程菌,此株工程菌具有更好的生长和产孢特性、更强的逆境胁迫耐...     

Expression of 2-deoxy-<Emphasis Type="Italic">scyllo</Emphasis>-inosose synthase (<Emphasis Type="Italic">kan</Emphasis>A) from kanamycin gene cluster in <Emphasis Type="Italic">Streptomyces lividans</Emphasis>

An actinomycetes expression vector (pIBR25) was constructed and applied to express a gene from the kanamycin biosynthetic gene cluster encoding 2-deoxy-scyllo-inosose synthase (kanA) in Streptomyces lividans TK24. The expression of kanA in pIBR25 transformants reached a maximum after 72 h of culture. The plasmid pIBR25 showed better expression than pSET152, and resulted in the formation of insoluble KanA when it was expressed in Escherichia coli. This strategy thus provides a valuable tool for expressing aminoglycoside-aminocyclitols (AmAcs) biosynthetic genes in Streptomyces spp.     

基于比较基因组学分析嗜热链球菌的遗传多样性和防御系统

【目的】嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)是发酵乳制品的基础发酵菌种之一,全基因组水平解析嗜热链球菌的遗传多样性和工业发酵特性对于优良发酵菌株的筛选意义重大。【方法】本研究通过比较基因组学方法对27株嗜热链球菌的遗传多样性和防御系统进行分析。【结果】全基因组分析结果显示嗜热链球菌群体内具有较高的遗传多样性;基于核心基因集构建的系统发育树划分为2个分支,其中分支2菌株缺乏完整的组氨酸合成途径,经验证,分支2菌株在缺乏组氨酸的培养基中不能正常生长。通过对嗜热链球菌不同菌株的防御系统进行分析发现,同类型的CRISPR基因座和限制修饰系统在基因组中出现的位置相对固定。CRISPR-Cas系统(P0.05,r=0.43)和限制修饰系统(P0.01,r=–0.59)的数量与编码转座酶基因的数量均显著相关,表明嗜热链球菌为了阻止外源DNA入侵会进化出多种防御系统来保护自身遗传完整性。此外,分支1菌株的CRISPR-Cas系统数量极显著(P0.001)多于分支2,而限制修饰系统无显著差异,表明分支1菌株在噬菌体抗性方面可能更具优势。【结论】本研究基于核心基因构建的系统发育分析将27株嗜热链球菌分为2个分支,不同分支菌株在组氨酸代谢能力和防御系统方面有一定差异。该研究结果为今后快速筛选优良嗜热链球菌发酵剂提供了新思路。     

链霉菌CB02959中四霉素及四烯菌素的鉴定及培养基优化

【背景】四霉素(Tetramycin)和四烯菌素(Tetrin)是具有广谱抗真菌活性的四烯大环内酯类抗生素。链霉菌CB02959是一株雷纳霉素(Leinamycin)类化合物的潜在产生菌株,利用antiSMASH分析其基因组发现该菌株含有一个纳他霉素(Natamycin)类四烯大环内酯化合物的生物合成基因簇。【目的】对Streptomyces sp. CB02959中次级代谢产物进行研究,确定其是否可以产生四烯大环内酯化合物,对其发酵产物进行分离和结构鉴定,并进行初步的发酵优化以提高产量。【方法】基于生物信息学预测和高分辨质谱数据,推测CB02959中多烯化合物的结构;在不同发酵培养基中培养CB02959,确定适合大规模发酵的培养基;敲除tetrA基因以确定目标基因簇和四烯大环内酯化合物产生的相关性;分离和鉴定CB02959产生的主要代谢物的结构;通过改变培养基中葡萄糖、麦芽提取物和胰蛋白胨的含量,提高四烯大环内酯化合物的产量。【结果】通过对CB02959中纳他霉素类化合物生物合成基因簇的分析及16S rRNA基因序列的进化树分析,推测CB02959可能是一株新的四霉素和四烯菌素产生菌;在YEME发酵培养基中对CB02959进行大规模发酵,分离得到4个化合物,鉴定为四霉素A (1)、四霉素B (2)、四烯菌素A (3)、四烯菌素B (4);最后通过培养基的初步优化,将化合物1–4的产量分别提高至208.1、100.0、1 315.6、109.9 mg/L。【结论】通过基因组挖掘策略发现了一株新的四霉素和四烯菌素产生菌链霉菌CB02959,并通过培养基优化提升了其四烯大环内酯化合物的产量,此发现为这类抗真菌天然产物的后续开发奠定了基础。     

金霉素生物合成基因簇中调控基因ctcB的功能

【目的】研究金霉素产生菌中SARP家族转录调控基因ctc B的作用。【方法】利用大肠杆菌、链霉菌的属间接合转移和同源重组双交换的方法,构建ctc B基因缺失突变株。通过c DNA在相邻同转录方向的基因间隔进行PCR验证,确定金霉素生物合成基因簇中的转录单元。利用荧光定量RT-PCR方法进行突变株金霉素生物合成基因簇的转录水平检测。随后,生物信息学预测分析了金霉素生物合成基因簇内Ctc B与DNA的结合位点。【结果】获得了ctc B基因缺失的双交换突变株。发酵结果显示,该突变株失去产生金霉素与四环素的能力。金霉素生物合成基因簇内有6个共转录单元,其中4个共转录单元在ctc B基因缺失突变株中转录水平明显下降。软件分析预测到一致性较高的Ctc B结合重复序列。【结论】ctc B正调控金霉素生物合成结构基因ctc G-D、ctc H-K、ctc N-P、ctc W-T 4个转录单元和ctc Q,为进一步研究ctc B调控机制奠定了基础。     

海绵来源链霉菌S52-B中氨酰胺天然产物的分离与鉴定

【背景】海洋微生物是复杂海洋生态环境中重要的生物资源之一。海洋微生物所产生的活性天然产物极为丰富,是药物或药物先导化合物的重要来源。【目的】探索海洋中海绵来源链霉菌Streptomycessp.S52-B的优势生长条件,挖掘其次级代谢产物,以期分离具有良好生物活性的天然产物。【方法】根据"One Strain Many Compounds"(OSMAC)策略,寻找利于Streptomyces sp. S52-B生长和次级代谢产物产生的优势培养基,结合质谱及特征性的紫外吸收谱图,选择培养基进行大量发酵。利用正相硅胶柱色谱、葡聚糖凝胶柱色谱和制备型高效液相色谱等进行分离纯化,并应用高分辨质谱和核磁共振光谱进行化合物结构解析。【结果】确定培养基A–D为海洋链霉菌S52-B的优势培养基,基于紫外吸收光谱与质谱分析,从培养基A的大量发酵物中分离鉴定3个具有吡咯并[4,3,2-de]喹啉核心结构的含氯化合物,属于氨酰胺类天然产物,其中Ammosalic acid为新结构化合物。【结论】已知含有吡咯并喹啉母核的氨酰胺类家族化合物具有优良的抗癌活性。本研究从海绵来源链霉菌S52-B中分离鉴定了3个氨酰胺类化合物,其中一个是新结构化合物,不仅丰富了此类化合物家族的结构类型,也为研究其生物合成途径中的未知机理奠定了基础,还有利于结合培养条件和基因组信息从这株海绵来源链霉菌中挖掘新结构的活性天然产物。