群感效应与链霉菌次生代谢调控

群感效应是细菌协调群体行为的一种外界信号传递机制,在细菌中普遍存在,参与细胞的多种生理过程。链霉菌中也存在群感效应,在抗生素等次生代谢产物的生物合成中起重要的调控作用;从自诱导信号分子的结构到信号传递机制都存在一定多样性,其中以A-因子为代表的γ-丁酸内酯类信号分子的作用机制研究最为深入。近几年在链霉菌中发现的PI-因子、M-因子以及一些特定的代谢产物则代表几类结构较新颖的信号分子,通过群感效应机制调控次生代谢过程;链霉菌中还发现胆固醇氧化酶、甘油等分子具有信号分子特征,不排除是通过群感效应来参与抗生素生物合成调控。本文主要就参与链霉菌次生代谢调控的几类群感效应系统的研究状况进行综述,重点阐述各类群感信号分子的结构和信号传递机制的不同,并对链霉菌群感效应的研究趋势以及在抗生素高产菌遗传育种中的应用前景进行了展望。     

pH对生物合成超声分子影像探针气囊充放气的调控

气囊（gas vesicles,GVs）是一种存在于蓝藻及古菌等微生物中调节浮力的类细胞器纳米结构,由蛋白质外壳包裹气体组成。近年来的研究表明,气囊具有作为超声分子影像探针的潜力。然而,气囊的充放气机制并不明确,限制了生物合成超声分子影像探针的保存和气体更换。本研究发现环境pH值是调节气囊充放气的一个重要因素。其不仅可以调节藻细胞内的气囊充放气进而使微囊藻呈现不同的漂浮状态,还可对提纯的气囊充放气进行体外调节,且该调节过程可逆。该机制的阐明为生物合成超声分子影像探针的大规模生产和保存,特别对气囊中的气体进行更换以满足不同的诊疗需求提供了技术支持,助力生物合成超声造影剂在疾病诊疗中的应用。     

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。     

链霉菌次生代谢中双因子调控系统的研究进展

链霉菌次生代谢产物的生物合成受到严格和复杂的调控,而双因子调控系统是其中重要的一类调控因子,在链霉菌中广泛存在,且存在作用方式的多样性和作用机制的复杂性。就近些年研究较多的参与链霉菌次生代谢的两类双因子调控系统(真核型和原核型)的研究状况做了综述,重点阐明其作用机制,并对其研究趋势以及在药物代谢工程中的应用前景进行了展望。     

非典型应答调控蛋白活性调控机制

双组分信号转导系统是生物中广泛存在的调控系统,通常由组氨酸激酶和应答调控蛋白(Responseregulator,RR)两个组分构成。典型的RR通过一个磷酸化机制调控活性。非典型应答调控蛋白在细菌中广泛存在,并调控细菌的生长发育、抗生素合成、Fe的转运等多种生理功能。以下主要综述目前研究比较清楚的非典型应答调控蛋白的结构和功能方面的进展,并以链霉菌中杰多霉素生物合成途径中的非典型应答调控蛋白JadR1为例,阐明调控蛋白活性调控的新机制。     

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。     

链霉菌次级代谢调控相关的双组分系统研究进展

链霉菌具有强大的次级代谢能力, 能够产生众多具有生物活性的次级代谢产物, 如目前广泛应用的抗生素、抗肿瘤药物以及免疫抑制剂等。在链霉菌中, 次级代谢产物的生物合成受到包括途径特异性、多效性以及全局性调控基因在内的多层次严格调控。关键调控基因的缺失或过表达可以显著影响次级代谢产物的生物合成, 提示对于链霉菌次级代谢重要调控基因的功能及其作用机制的研究具有巨大的潜在应用价值。其中, 作为细菌信号传导系统的双组分系统(Two-component system, TCS)一直是大家研究的关注点。越来越多的研究表明TCS在链霉菌次级代谢过程中发挥着全局性的调控功能。本文重点介绍链霉菌模式菌株——天蓝色链霉菌中TCS(包括典型TCS)、孤立的组氨酸蛋白激酶(HK)以及应答调控蛋白(RR)参与次级代谢调控的研究进展。这些TCS的功能鉴定及机制解析为工业链霉菌的定向遗传改造以提高重要次级代谢产物的含量提供了理论依据。     

纳他霉素生物合成和调控机制的相关研究进展

纳他霉素是一种对真菌具有广谱抗菌活性的多烯大环内酯类抗生素,它不仅能有效地抑制真菌的生长和繁殖,而且能够抑制一些真菌毒素的形成,已被大多数国家批准为抗真菌食品防腐剂使用,也被广泛应用于农业和医疗领域。纳塔尔链霉菌Streptomyces natalensis和恰努塔加链霉菌Streptomyces chatanoogensis是纳他霉素的主要产生菌,其生物合成过程及调控机制相关研究比较清楚。文中主要归纳了纳他霉素的生物合成和调控机制,探讨了提高纳他霉素产量的方法,并展望了纳他霉素未来的研究方向。     

珠江口沉积物来源链霉菌SCSIO 40020中bafilomycins的鉴定及其生物合成基因簇的异源表达

[目的] 从珠江口沉积物来源的菌株SCSIO 40020中分离bafilomycins,并对其生物合成基因簇进行克隆和异源表达研究。[方法] 通过分析菌株SCSIO 40020的16S rRNA基因序列并构建系统发育树以鉴定菌种,以柱层析法和制备色谱法对次级代谢产物进行分离纯化,借助波谱学手段完成单体化合物的结构鉴定,采用生物信息学分析定位bafilomycins的生物合成基因簇,通过筛选菌株SCSIO 40020基因组的细菌人工染色体文库和接合转移将bafilomycins生物合成基因簇导入3种链霉菌进行异源表达,利用高效液相色谱检测异源表达菌株的发酵产物。[结果] 菌株SCSIO 40020被鉴定为链霉菌属菌株,从其发酵产物中分离鉴定了2个单体化合物bafilomycins A₁和D。克隆了链霉菌SCSIO 40020中bafilomycins的生物合成基因簇并推导了其生物合成途径,在3种链霉菌中表达产生了bafilomycins。[结论] 从珠江口环境中获得了一株产生bafilomycins的链霉菌SCSIO 40020,成功建立了该菌株次级代谢产物生物合成基因簇的异源表达体系,并首次在链霉菌Streptomyces lividans SBT18、Streptomyces coelicolor M1154和Streptomyces albus J1074中进行了表达,获得了bafilomycins,为后续bafilomycins结构类似物的生产和链霉菌SCSIO 40020中新结构活性化合物的挖掘奠定了基础。     

多烯大环内酯类抗生素生物合成基因簇中调控因子的研究进展

多烯大环内酯类抗生素具有良好的抗真菌活性,广泛应用于医疗卫生、食品加工和农业生产领域。随着高通量测序技术和生物信息学技术的发展,越来越多的链霉菌抗生素生物合成基因簇被发现和鉴定,调控因子作为生物合成基因簇中的重要组成部分,在庞大复杂的调控网络中起着至关重要的作用。本文总结了链霉菌中重要的调控因子类型,综述了多烯大环内酯类抗生素生物合成基因簇中调控因子的生物学功能、结合位点、作用机制等研究进展,并展望了后续研究工作。     

Measuring gas vesicle dimensions by electron microscopy

Gas vesicles (GVs) are cylindrical or spindle‐shaped protein nanostructures filled with air and used for flotation by various cyanobacteria, heterotrophic bacteria, and Archaea. Recently, GVs have gained interest in biotechnology applications due to their ability to serve as imaging agents and actuators for ultrasound, magnetic resonance and several optical techniques. The diameter of GVs is a crucial parameter contributing to their mechanical stability, buoyancy function and evolution in host cells, as well as their properties in imaging applications. Despite its importance, reported diameters for the same types of GV differ depending on the method used for its assessment. Here, we provide an explanation for these discrepancies and utilize electron microscopy (EM) techniques to accurately estimate the diameter of the most commonly studied types of GVs. We show that during air drying on the EM grid, GVs flatten, leading to a ~1.5‐fold increase in their apparent diameter. We demonstrate that GVs'' diameter can be accurately determined by direct measurements from cryo‐EM samples or alternatively indirectly derived from widths of flat collapsed and negatively stained GVs. Our findings help explain the inconsistency in previously reported data and provide accurate methods to measure GVs dimensions.     

The nonribosomal peptide biosynthetic system — on the origins of structural diversity of peptides,cyclopeptides and related compounds

A variety of peptides have been detected in microorganisms. Some have found applications in various fields, for example the classical -lactam antibiotics, immunosuppressors like cyclosporin, promising new antibacterials like teichoplanin or daptomycin and antifungals like echinocandin. For none of these has it been established how their complicated biosynthetic pathways have evolved or what functions they fulfill within or for their producers. So it is unclear what selection processes limit the range of their structural analogues within various groups of microorganisms. We here consider recent data in the field of biosynthesis and how they may suggest mechanisms of genetic diversity. These may illustrate the complexity of genetic and intracellular organization of biosynthetic pathways and indicate the cellular context of some metabolites related to the complex background of the production of each metabolite. Research focusing on various targets like the increase of productivity of fermentations or the spread of resistances to antibacterials is slowly being understood.This paper belongs to the Special edition ofAntonie van Leeuwenhoek Vol 64, No 2, on Diversity of Genetic Systems, edited by T. Beppu     

纳他霉素高产菌株Streptomyces gilvosporeus F607基因组及其生物合成基因簇分析

【背景】纳他霉素(Natamycin)是一种天然、广谱、高效的多烯大环内酯类抗真菌剂,褐黄孢链霉菌(Streptomyces gilvosporeus)是一种重要的纳他霉素产生菌。目前S. gilvosporeus基因组序列分析还未有报道,限制了该菌中纳他霉素及其他次级代谢产物合成及调控的研究。【目的】解析纳他霉素高产菌株S. gilvosporeus F607的基因组序列信息,挖掘其次级代谢产物基因资源,为深入研究该菌株的纳他霉素高产机理及生物合成调控机制奠定基础。【方法】利用相关软件对F607菌株的基因组序列进行基因预测、功能注释、进化分析和共线性分析,并预测次级代谢产物合成基因簇;对纳他霉素生物合成基因簇进行注释分析,比较分析不同菌种中纳他霉素生物合成基因簇的差异;分析预测S.gilvosporeusF607中纳他霉素生物合成途径。【结果】F607菌株基因组总长度为8482298bp,(G+C)mol%为70.95%,分别在COG、GO、KEGG数据库提取到5 062、4 428、5063个基因的注释信息。同时,antiSMASH软件预测得到29个次级代谢产物合成基因簇,其中纳他霉素基因簇与S.natalensis、S. chattanoogensis等菌株的纳他霉素基因簇相似性分别为81%和77%。除2个参与调控的sngT和sgnH基因和9个未知功能的orf基因有差异外,S. gilvosporeus F607基因簇中其他纳他霉素生物合成基因及其排列顺序与已知的纳他霉素基因簇高度一致。【结论】分析了S. gilvosporeus全基因组信息,预测了S. gilvosporeus F607中纳他霉素生物合成的途径,为从基因组层面上解析S. gilvosporeus F607菌株高产纳他霉素的内在原因提供了基础数据,为揭示纳他霉素高产的机理及工业化生产和未来新药的发现奠定了良好的基础。     

植物多胺代谢途径研究进展

多胺是一类小分子生物活性物质,广泛存在于生物体内,与植物的生长发育、衰老及抗逆性都有着密切的联系。目前,在植物中的多胺合成途径已经基本揭示,其生理作用在分子水平上逐步得到阐明。对多胺合成突变体和各种转基因植物的研究也使得人们更深入地了解了多胺以及其合成代谢相关酶在植物生长发育等生理过程中的重要作用。以下概述了植物多胺代谢途径,重点综述了代谢途径中各基因的功能及遗传操作的最新进展,并对将来的研究方向尤其是相关基因在植物抗逆境 (包括生物和非生物逆境) 基因工程方面的应用作了讨论。     

Microbial isopenicillin N synthase genes: structure, function, diversity and evolution.

Clinically and economically, penicillins and cephalosporins are the most important class of the beta-lactam antibiotics. They are produced by a wide variety of microorganisms including numerous species of Streptomyces, some unicellular bacteria and several filamentous fungi. A key step common to their biosynthetic pathways is the conversion of a linear, cysteine-containing tripeptide to a bicyclic beta-lactam antibiotic by isopenicillin N synthase. Recent successes in the cloning and expression of isopenicillin N synthase genes now permit production of a plentiful supply of this enzyme, which may be used for structural and mechanistic studies, or for biotechnological applications in the creation of novel beta-lactam compounds from peptide analogues. New ideas concerning the evolution and prevalence of the penicillin and cephalosporin biosynthetic genes have emerged from studies of isopenicillin N synthase genes.     

糖脂生物表面活性剂——甘露糖赤藓糖醇脂的研究进展

甘露糖赤藓糖醇脂是一种糖脂类生物表面活性剂,主要由霉菌和酵母菌等微生物发酵生产,具有良好表面活性和特殊生物活性,其在食品、医药、化妆品等领域有着潜在的应用前景。近年来,其研究在国外备受关注,而国内却鲜有报道。文中综述了甘露糖赤藓糖醇脂的发酵生产、多样性结构及活性、构效关系、生物合成途径等方面的相关研究,对存在问题进行了分析,并探讨了今后的研究重点。     

The Formation of Sugar Chains in Triterpenoid Saponins and Glycoalkaloids

Triterpenoid saponins and structurally related steroidal glycoalkaloids are a large and diverse family of plant glycosides. The importance of these compounds for chemical protection of plants against microbial pathogens and/or herbivores is now well-documented. Moreover, these compounds have a variety of commercial applications, e.g. as drugs or raw materials for pharmaceutical industry. Until recently there were only sparse data on the biosynthesis of saponins and glycoalkaloids, especially at the enzyme level. Substantial progress has recently been made, however, in our understanding of biosynthetic routes leading to the formation of the diverse array of aglycone skeletons found in these compounds as well as mechanisms of synthesis of their sugar moieties. This review highlights some of the advances made over past two decades in our understanding of the formation and modification of sugar moieties in triterpenoid saponins and glycoalkaloids.