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。     

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。     

染色体DNA琼脂糖包埋法辅助的ExoCET技术克隆放线菌天然产物生物合成基因簇

【目的】本研究旨在通过将琼脂糖包埋染色体DNA的方法与ExoCET重组技术相结合,建立放线菌天然产物生物合成基因簇的捕获方法。然后将克隆基因簇导入通用底盘宿主中,实现目标生物合成基因簇的异源表达。【方法】首先,利用低熔点琼脂糖包埋技术制备菌株的染色体基因组总DNA,再用限制性内切酶消化含有染色体DNA的琼脂块,获得线性化的DNA样品;然后利用ExoCET重组技术,以p15A线性载体片段将目标基因簇线性片段进行捕获;再通过PCR-targeting的方法向目标质粒中引入所需的接合转移DNA元件。接着,将改造质粒通过接合转移导入到Streptomyces coelicolor M1252宿主中,获得不同的重组菌株。最后,对不同的菌株进行发酵并提取化合物,最后进行活性检测以及质谱检测。【结果】通过该方法,从菌株S.lincolnensisNRR2936中成功获得了林可霉素生物合成基因簇(lmb-BGC),从菌株Nonomuraea nitratireducens WYY166^T中克隆得到了2个核糖体肽类化合物的生物合成基因簇(nioblantin,niob-BGC和nitblantin,nitb-BGC),并实现了lmb-BGC在天蓝色链霉菌M1252中的成功表达。【结论】本研究通过将低熔点琼脂糖包埋技术与ExoCET重组技术进行合理整合,定向克隆得到了林可霉素以及2个新颖的羊毛硫肽类化合物的生物合成基因簇。然后,分别对重组质粒改造后,在天蓝色链霉菌M1252宿主中进行表达,分别获得重组菌株MJX01、MJX02和MJX04。最后,利用质谱以及活性测试的手段对发酵提取物进行了检测,确定了林可霉素生物合成基因簇在天蓝色链霉菌M1252中成功表达。本研究为通过基因簇克隆和异源表达发掘新化合物奠定了基础。     

基于生物信息学分析从Streptomyces albofaciens JCM 4342中发现2,3-二羟基苯甲酸酯-L-丝氨酸脱水三聚体和二聚体天然产物

[背景] 铁是细菌生长的基本元素,而三价铁在自然水环境中几乎无法溶解。细菌已经进化出产生各种铁载体的能力,以促进铁的吸收。对于链霉菌,其特有的铁载体是去铁胺,同时它们也可以产生其他结构的铁载体,如ceolichelin、白霉素、肠杆菌素（enterobactin）和griseobactin。[目的] 揭示链霉菌中铁载体生物合成基因簇（Biosynthetic Gene Clusters,BGCs）的分布特点和基因簇特征,并探索其所合成铁载体的化合物结构。[方法] 利用生物信息学工具系统地分析308个具有全基因组序列信息的链霉菌中的铁载体生物合成基因簇,并用色谱和波谱方法分离和表征肠杆菌素相关天然产物。[结果] 发现Streptomyces albofaciens JCM 4342和其他少数菌株同时含有一个缺少2,3-二羟基苯甲酸（2,3-DHB）生物合成基因的孤立的肠杆菌素生物合成基因簇和另外一个推测可合成griseobactin的基因簇。从S.albofaciens JCM 4342发酵液中鉴定出4个肠杆菌素衍生的天然产物,包括链状2,3-二羟基苯甲酸酯-l-丝氨酸（2,3-DHBS）的三聚体和二聚体以及它们的脱水产物。[结论] 2个基因簇间存在一种特别的协同生物合成机制。推测是griseobactin基因簇负责合成2,3-DHB,而孤立的肠杆菌素基因簇编码的生物合成酶可夺取该底物,进而完成上述4种肠杆菌素衍生天然产物的生物合成。     

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。     

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。     

谷氏菌素生物合成基因gouC和gouD的功能研究北大核心CSCD

【目的】由于谷氏菌素产生菌禾粟链霉菌的遗传操作效率较低,本研究在谷氏菌素生物合成基因簇成功异源表达的基础上,通过在异源宿主天蓝色链霉菌M1146中阻断谷氏菌素生物合成基因gouC和gouD,研究其在谷氏菌素生物合成中的作用,为谷氏菌素生物合成途径的阐明奠定基础。【方法】以含有谷氏菌素生物合成基因簇的黏粒D6-4H为基础,通过PCR-targeting的方法分别将gouC和gouD敲除得到重组质粒p GOUe-ΔC和p GOUe-ΔD。通过接合转移将这两个重组质粒分别导入天蓝色链霉菌M1146中,获得gouC和gouD的缺失突变株M1146-GOUe-ΔC和M1146-GOUe-ΔD,通过HPLC分析突变株的谷氏菌素中间产物积累情况,分离纯化后对其进行结构鉴定和生物活性检测。【结果】gouC和gouD的缺失均导致谷氏菌素不能合成,突变株发酵液中积累了不同的中间产物,生物活性分析发现这些中间产物均失去了对肿瘤细胞的抑制活性。【结论】gouC和gouD是谷氏菌素生物合成的重要基因,与谷氏菌素肽基部分的肌氨酸残基合成相关。本研究为阐明谷氏菌素的生物合成机制提供了更多的依据。     

Streptomyces coelicolor A3(2)中新颖Ⅰ型羊毛硫肽的挖掘及异源表达

【目的】Ⅰ型羊毛硫肽通常具有广泛的生物活性,且抑菌机制独特,较少产生耐药性,因而在临床上具有很好的应用前景。本文对Streptomyces coelicolor A3(2)基因组上2个新颖的Ⅰ型羊毛硫肽生物合成基因簇进行研究,以实现目标羊毛硫肽的表达。【方法】首先,通过antiSMASH分析S. coelicolor A3(2)基因组序列,挖掘羊毛硫肽生物合成基因簇,使用BLAST进行基因功能注释,选择可能参与生物合成过程的基因;然后利用基因组装技术构建异源表达质粒,通过接合转移在链霉菌底盘细胞中进行异源表达;最后对发酵产物进行高效液相色谱、质谱及生物活性检测。【结果】通过添加启动子元件重构S. coelicolor A3(2)上基因簇3 (8.9 kb)和基因簇24 (9.0 kb),得到pYES-ColE1-SCO-cluster3和pYES-ColE1-SCO-cluster24。pYES-ColE1-SCO-cluster3在底盘细胞Streptomyces coelicolor M1152和Streptomycessp. A14中成功表达,得到潜在目标化合物coelin 3;pYES-ColE1-SCO-cluster24在底盘细胞Streptomyces sp. ZM13中成功表达,得到潜在目标化合物coelin 24。其中coelin 3对Bacillus subtilis 168和Escherichia coli ATCC 25922具有抑制作用,并且抑菌圈均达到28 mm。【结论】本研究成功使用启动子激活和异源表达策略实现了coelin 3和coelin 24的表达和活性测试,为后续新颖的羊毛硫肽结构解析和作用机制研究奠定了基础。     

三烷基取代芳香聚酮gombapyrones生物合成基因簇的确认及其生物合成推导

【目的】本研究旨在确认链霉菌Streptomyces rubellomurinus ATCC 31215来源芳香聚酮化合物(gombapyrones, GOMs)的生物合成基因簇(biosynthetic gene cluster, BGC),并对其生物合成途径进行推导。【方法】对链霉菌S. rubellomurinus ATCC 31215进行大规模发酵及提取分离,得到GOM-B和GOM-D;以三烷基取代芳香聚酮生物合成途径保守存在的P450单氧化酶的蛋白序列作为探针,在GOMs产生菌S. rubellomurinus基因组中进行BLAST搜索获得潜在的GOMs生物合成基因簇(gom BGC);通过对gom BGC中的聚酮合成酶(polyketide synthase, PKS)结构基因进行同框缺失突变,对突变株发酵产物进行高效液相色谱-质谱(highperformanceliquidchromatography-massspectrometry,HPLC-MS)分析以确认gomBGC与GOMs的产生相关;基于生物信息学分析,推导GOM-B的生物合成途径。【结果】从S. rubell...     

除虫链霉菌10个聚酮类抗生素生物合成基因簇的敲除对阿维菌素产量的影响

【目的】考察除虫链霉菌基因组中其它聚酮合成酶类(Polyketide synthase,PKS)抗生素生物合成基因簇的敲除突变对于阿维菌素产量的影响。【方法】构建了11个PKS基因簇的打靶Cosmid和质粒载体,导入除虫链霉菌中筛选突变株。【结果】在工业菌株MMR630中成功敲除了10个PKS基因簇。发酵结果显示7个PKS基因簇敲除突变株中阿维菌素的产量均有不同程度的提高,而2个突变株不能产生阿维菌素。然而,在3个连续敲除2个PKS基因簇的突变株中阿维菌素产量没有能够超过单个PKS敲除突变株的提升幅度。【结论】除虫链霉菌基因组的一些PKS基因簇的敲除可以提高阿维菌素的产量,同时暗示同一类次生代谢产物的代谢流之间存在复杂的相互作用关系。     

浅紫灰链霉菌CQ01819及其次级代谢产物的定向发掘

【目的】采用特征次级代谢产物生物合成的保守功能基因探针,定向分离土壤中产生特征次级代谢产物的菌种资源,借助基因转录分析为导向的培养基优化方法,获得目标次生代谢产物。【方法】首先,根据5种特征次级代谢产物保守的合成功能基因设计简并引物,定向从土壤样品中筛选、分离并纯化菌株。然后,以RT-qPCR为指导开展目标产物的发酵培养基优化;最后,对菌株进行发酵,利用多种色谱技术分离纯化目标天然产物,并结合高分辨质谱与核磁共振等技术对所获得的化合物进行结构鉴定。【结果】从土壤中筛选得到了一株AHBA合酶基因和环氧化酶基因均为阳性的链霉菌菌株(编号为CQ01819),根据转录分析优化发酵培养基,最终从该菌株分离纯化得到了含有AHBA结构单元的丝裂霉素C、聚醚类抗生素莫能霉素A和缬吲霉素。【结论】本研究通过菌株的定向分离纯化,筛选得到了产生预期抗生素的浅紫灰链霉菌菌株CQ01819;基于RT-qPCR指导的发酵培养基优化,确定了菌株的发酵条件;获得发酵粗提物后,采用多种色谱整合技术和光谱分析策略,快速分离并鉴定了目标产物。该研究为目标菌种资源的定向筛选、菌株的发酵条件的快速优化和化合物的定向分离提供了较...     

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。     

蓝灰链霉菌中Aco类信号分子合酶ScyA1全局性功能的研究北大核心

【目的】研究蓝灰链霉菌中Aco类群感效应信号分子合酶基因scy A1缺失对细胞生理代谢和调控网络造成的广泛性扰动,揭示Scy A1对细胞生命活动的全局性调控作用。【方法】通过测定细胞干重确定scy A1缺失对液体发酵条件下细胞生长的影响。采用RNA-Seq比较分析探究蓝灰链霉菌scy A1突变株和野生型NMWT1发酵培养3d和6d全基因组范围内的显著差异表达基因。【结果】scy A1缺失不影响液体发酵条件下细胞生物量的积累。比较转录组分析显示scy A1缺失后,糖酵解和三羧酸循环途径基因表达表现出双向显著差异变化趋势;L-半乳糖形成UDP-葡萄糖途径、戊糖磷酸途径、氨基酸(L-缬氨酸、L-异亮氨酸和L-色氨酸)合成途径和嘌呤核苷酸降解途径相关基因均表现出显著上调趋势。众多次级代谢生物合成基因簇、保守转录调控因子和菌丝体结构性蛋白组分编码基因表达显著下调,而少数则表达水平显著上调。【结论】Scy A1广泛影响了菌株的初级代谢、次级代谢、保守调控因子和菌丝体结构相关基因的表达。总之,本研究丰富了我们对Aco类群感效应信号分子合酶功能的认知。     

海洋来源节菱孢菌ZSDS1-F3中PKS-NRPS类天然产物挖掘

【目的】以基因组信息为指导,定向激活海洋来源真菌Arthrinium arundinisZSDS1-F3中沉默的聚酮合成酶-非核糖体肽合成酶(PKS-NRPS)类生物合成基因簇,鉴定次级代谢产物结构。【方法】通过启动子工程和异源表达的策略激活实验室培养条件下沉默或低表达的生物合成基因簇,实现目标化合物的分离,通过HR-ESI-MS和NMR数据分析鉴定产物结构,结合基因重组和生物信息学分析结果推导化合物的生物合成途径。【结果】依据基因组生物信息学分析,从海洋来源真菌A. arundinis ZSDS1-F3中选取一个编码PKS-NRPS类次级代谢产物的生物合成基因簇开展研究,在宿主Aspergillus nidulansA1145中实现了基因簇的异源表达,从中分离到2个新化合物,并推导了其生物合成途径。【结论】基因组信息指导下的天然产物挖掘,可以目标明确地分离产物,加快真菌中新颖天然产物的发现步伐。     

藤黄生孢链霉菌NRRL 2401遗传操作系统和基因文库的构建北大核心CSCD

【目的】建立藤黄生孢链霉菌NRRL 2401的遗传操作系统和基因文库,以便筛选次级代谢产物生物合成基因。【方法】利用大肠杆菌和链霉菌的属间接合转移的方法,以整合型载体pPM927、pSET152和复制型载体pJTU1278构建链霉菌遗传操作系统。以pCClFOS^(TM)载体,大肠杆菌EP1300^(TM)-T1~R为宿主菌构建Fosmid文库。随后,设计引物,利用"板池-行池-单克隆"的三级PCR方法对文库进行快速筛选。【结果】pPM927、pSET152和pJTU1278均成功转入藤黄生孢链霉菌NRRL 2401,其中pSET152载体的转化效率最高。构建了稳定高效的藤黄生孢链霉菌NRRL 2401的基因文库,含2880个克隆,平均插入片段大小约为35 kb,空载率小于1%,文库覆盖率为99.99%,覆盖基因组16.5倍。同时,初步筛选出可能含有吲哚霉素生物合成基因簇的9个阳性克隆。【结论】成功构建了稳定高效的藤黄生孢链霉菌NRRL 2401遗传操作系统和高质量的基因文库,为克隆该菌中次级代谢产物生物合成基因簇以及进一步遗传改造奠定了基础。     

构建链霉菌无细胞平台挖掘套索肽类天然产物

【目的】套索肽作为一类核糖体翻译后修饰肽(RiPPs)广泛分布于放线菌中,以其独特的修饰结构和多样的生理活性受到了广泛的关注。为了更好地研究未知的套索肽,期望开发基于链霉菌的无细胞转录翻译平台(下称“无细胞平台”)实现无细胞合成套索肽或其前体肽。【方法】首先尝试以不同的链霉菌构建无细胞合成平台,并以绿色荧光蛋白为报告蛋白对平台产率进行优化;在构建合适稳定的表达体系后,将包含有套索肽生物合成基因的质粒引入体系中以探索套索肽的无细胞合成。【结果】在对基于模式菌株Streptomyces lividans TK24的无细胞体系进行制备工艺、体系组分、反应条件等多个参数进行优化后,该体系最高能达到90μg/mL的荧光蛋白表达量;基于该体系成功表达了目标套索肽的前体肽,并通过融合SUMO标签增加前体肽在该体系中的稳定性。【结论】本研究成功构建了一类链霉菌无细胞平台,为丰富来源的基因表达提供了可能性。尽管该体系在对表达套索肽未知蛋白的适用性上仍有待进一步提升,但无细胞平台在天然产物的探索中将起到越来越重要的作用。     

芍药内生真菌的鉴定及产生活性次生代谢产物的评估

【目的】研究药用植物芍药(Paeonia lactiflora Pall.)内生真菌的种群多样性,同时对其可能存在的聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)和非核糖体多肽合成酶(Non-ribosomal peptide synthetase,NRPS)基因多样性进行评估,预测芍药内生真菌产生活性次生代谢产物的潜力。【方法】采用组织分离法获得芍药根部内生真菌菌株,结合形态学特征和ITS序列分析,进行鉴定;利用兼并性引物对内生真菌中存在的聚酮合酶(PKS)基因和非核糖体多肽合成酶(NRPS)基因进行PCR扩增及序列测定分析,构建系统发育树,明确芍药内真菌PKS基因序列和NRPS基因序列的系统进化地位。【结果】从芍药组织块中共分离得到105株内生分离物,去重复后获得52株内生真菌,菌株ITS基因序列信息显示,52株芍药内生真菌隶属于7目、13科、15属,其中小球腔菌属(Leptosphaeria)、土赤壳属(Ilyonectria)和镰孢属(Fusarium)为优势种群;从52株内生真菌中筛选获得13株含PKS基因片段的菌株,8株含NRPS基因片段的菌株,部分菌株功能基因的氨基酸序列与Gen Bank中已知化合物的合成序列具有一定的同源性,预示芍药根部内生真菌具有合成丰富多样的次生代谢产物的潜力。【结论】药用植物芍药根部具有丰富的内生真菌资源,且具有产生活性次生代谢产物的潜力,值得进一步开发研究和应用。