链霉菌次级代谢产物高产菌株的构建策略

随着基因测序技术的发展,人类获得了大量有关链霉菌次级代谢产物合成基因簇的信息,通过合理的构建策略可以激活其中的隐性基因簇或提高基因簇的表达水平,从而获得新的链霉菌次级代谢产物,或显著提高已知次级代谢产物的发酵水平。从基因表达调控、转座子突变、合成生物学方法、组学方法等四个方面,综述了提高链霉菌次级代谢产物产量的构建策略及其研究进展。     

抗生素生物合成基因簇克隆策略的研究进展

抗生素是一类具有多种生物活性的微生物次级代谢产物,自然界中60%以上的抗生素由放线菌所产生。克隆抗生素生物合成基因簇可为阐明其生物合成机制,结构改造,产量提高提供重要信息。在后基因组时代,新的抗生素基因簇克隆策略不断涌现,大大提高了微生物重要次级代谢产物生物合成基因簇的克隆效率,并缩短了抗生素的发现周期。本文综述了抗生素生物合成基因簇克隆策略的研究进展,包括近年来发展的后基因组的克隆策略。     

东乡野生稻内生放线菌Streptomyces sp. PRh5的全基因组测序及序列分析

【目的】Streptomyces sp. PRh5是从东乡野生稻(Oryza rufipogon Griff.)中分离获得的一株对细菌和真菌都具有较强抗菌活性的内生放线菌。为深入研究PRh5菌株抗菌机制及挖掘次级代谢产物基因资源,有必要解析PRh5菌株的基因组序列信息。【方法】采用高通量测序技术对PRh5菌株进行全基因组测序,然后使用相关软件对测序数据进行基因组组装、基因预测与功能注释、直系同源簇(COG)聚类分析、共线性分析及次级代谢产物合成基因簇预测等。【结果】基因组组装获得290 contigs,整个基因组大小约11.1 Mb,GC含量为71.1%,序列已提交至GenBank数据库,登录号为JABQ00000000。同时,预测得到50个次级代谢产物合成基因簇。【结论】将为Streptomyces sp. PRh5的功能基因组学研究及相关次级代谢产物的生物合成途径与异源表达研究提供基础。     

链霉菌底盘细胞的开发现状及其应用

天然产物及其衍生物在现代医疗中扮演着举足轻重的角色,其生物活性多样性以及化学结构的丰富性是新药研发的源泉和动力。利用纯化学方法合成天然产物在技术和成本上有很大的困难,加上许多天然产物的原始产生菌具有培养条件苛刻、产量低下等缺点,而且大量基因簇在原始菌株中是沉默的,这使得利用合成生物学思想来指导天然产物生物合成基因簇的异源表达具有重大意义。作为抗生素、抗肿瘤活性物质、免疫抑制剂等次级代谢产物主要来源的放线菌一直是研究者们关注的焦点,特别是随着基因测序技术的飞速发展,人们发现链霉菌基因组中包含着极为丰富的天然产物生物合成基因簇资源。这意味着开发链霉菌底盘细胞作为异源表达宿主有其得天独厚的优势。本综述从底盘细胞开发的意义入手,重点阐述链霉菌底盘细胞构建的策略及现状,随后通过实例阐述了各种底盘链霉菌的实际应用。     

基于微生物共培养的隐性基因簇激活策略

微生物次级代谢产物是药物先导化合物的重要源泉之一。随着测序技术的迅猛发展,越来越多的微生物基因组得以测序完成。伴随着测序技术的进步,生物信息学也得到了快速发展。基因组序列分析发现,链霉菌和丝状真菌等微生物中存在大量的已知的或未知的次级代谢物生物合成基因簇(secondary metabolite-biosynthetic gene clusters,SM-BGCs)。然而,在实验室培养条件下大部分基因簇无法表达或表达量很低,导致难以发现这些基因簇所对应的代谢产物,人们将这类基因簇称为“隐性基因簇”或“沉默基因簇”。通过调节基因簇中特异调控基因或基因簇外全局性调控基因的表达,对代谢途径的定向改造,以及将基因簇导入异源宿主等策略,能够激活部分隐性基因簇的表达。通过激活隐性基因簇的表达,能够发现通过常规实验室培养无法获得的具有独特生物活性的新结构代谢产物,成为创新药物的重要来源之一。然而,这些基因簇激活策略都严重依赖于对特定菌株或宿主的遗传操作。近年来,通过模拟自然混合培养中微生物间相互作用,开发了通过混合特定微生物菌株在厌氧或好氧条件下激活隐性基因簇的方法,称之为共培养激活策略。这种策略不...     

丝状真菌次级代谢产物生物合成的表观遗传调控

丝状真菌产生的次级代谢产物是新药的重要来源之一,其生物合成过程受到众多因素的调控。最近的研究表明,表观遗传对多种丝状真菌次级代谢产物的生物合成具有调控作用。DNA和组蛋白的甲基化与乙酰化修饰是目前所知的丝状真菌主要的表观遗传调控形式。通过过表达或缺失相关表观修饰基因和利用小分子表观遗传试剂改变丝状真菌染色体的修饰形式,不仅可以提高多种已知次级代谢产物产量,而且可以通过激活沉默的生物合成基因簇诱导丝状真菌产生新的未知代谢产物。丝状真菌表观遗传学正逐渐成为真菌菌株改良的新策略以及挖掘真菌次级代谢产物合成潜力的强有力手段。     

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。     

链霉菌隐性次级代谢产物生物合成基因簇的激活

链霉菌基因组中存在许多隐性次级代谢产物生物合成基因簇(cryptic secondary metabolite biosynthetic gene cluster,CSMG),在实验室条件下,它们多数处于沉默状态或者很低的表达水平。但在一定条件下这些CSMG可以被激活合成次级代谢产物,这为寻找新的活性天然产物提供新来源。本文总结了目前激活链霉菌CSMG所使用的方法,包括改变发酵条件、核糖体工程、共培养、异源表达、CSR(cluster-situated regulator)基因的遗传改造等。     

利用合成生物学技术深入挖掘放线菌中活性次级代谢产物

放线菌是一类能够产生丰富生物小分子药物的微生物, 对人类的健康事业做出了杰出的贡献。但近几十年来, 来源于微生物并最终上市的药物越来越少, 而病原菌的抗药性问题却越发严重, 人们对新药的期待越来越迫切。本文介绍了近十年里发展迅速的合成生物学对微生物次级代谢产物研发的促进作用。合成生物学以工程化的思想对生命系统进行设计与改造, 使传统方法难以获取的放线菌次级代谢产物通过外源宿主得以产生, 充分利用了自然界的资源; 此外, 对次级代谢基因簇的合理设计和对生物元件的应用不仅使人们获得了自然界中原本不存在的新化合物, 还能使某些具有广泛应用价值药物的产量得以显著提高; 最后, 本文还介绍了合成生物学领域近些年DNA组装的新技术和新方法, 为从事次级代谢产物研发的工作者提供便利。     

茎瘤芥根际一株产紫色杆菌素杜擀氏菌的分离鉴定及其基因组分析

【目的】对茎瘤芥根际微生物进行分离鉴定,分析微生物菌群构成,选择具有优良特性的菌株,评估其次级代谢产物合成能力,为茎瘤芥根际微生物多样性和菌种资源的挖掘利用奠定基础。【方法】采集重庆市涪陵区二渡村和邓家村的茎瘤芥根,分离培养根际微生物菌株,通过菌株形态观察和看家基因的序列分析,对菌株进行初步鉴定、归类和保存。选择具有优良性状的菌株,利用Pacbio RS II和Illumina HiSeq平台完成全基因组测序,通过antiSMASH分析评估其次级代谢产物合成潜力,克隆目的基因簇并进行异源表达和产物鉴定。【结果】分离得到256株微生物,初步鉴定120株;从中鉴定了一株产紫色杆菌素的杜擀氏菌BjR8,完成了基因组测序及分析,发现该菌基因组为一条环状染色体,全长7 205 593 bp,GC含量为64.67%,含有6 241个编码基因。生物信息学分析发现基因组含有9个次级代谢产物生物合成基因簇,其中7个基因簇与已知化合物编码基因簇同源性较低,说明该菌具有产生多种新型次级代谢产物的潜力;克隆得到紫色杆菌素生物合成基因簇,并在变铅青链霉菌TK23中完成了异源表达。【结论】从茎瘤芥根际分离得到25...     

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。     

放线菌基因组大片段克隆载体及异源表达宿主改造的研究进展

大规模基因组测序发现放线菌基因组内包含有极丰富的天然产物合成基因, 是非常有价值的资源。放线菌基因组中负责天然产物合成的基因通常成簇存在。要想完整地克隆这些较大的基因簇并且进行功能研究, 或者通过异源表达激活原本沉默的天然产物合成基因簇, 需要大容量的载体系统和合适的异源宿主。本文重点介绍了放线菌中常用于基因组大片段克隆的载体及异源表达宿主改造的研究进展。     

信号分子在链霉菌天然产物发现和开发中的应用研究进展

链霉菌具有巨大的合成次级代谢产物的潜力,但在实验室常规培养条件下链霉菌中大部分生物合成基因簇是沉默的,或者表达量极低。链霉菌中信号分子可调节形态分化和代谢产物的生物合成。通过对编码这些信号分子合成酶或受体的基因进行操作,或在发酵液中添加信号分子,可以激活链霉菌中的沉默生物合成基因簇,发现新的天然产物,或者提升已发现的天然产物产量。本文以γ-丁内酯和γ-丁烯内酯两类信号分子为例总结了过去十余年中信号分子在链霉菌天然产物发现和产量提升中的应用,以期为微生物天然产物的开发提供借鉴。     

微生物次级代谢产物生物合成基因簇的克隆与异源表达

微生物次级代谢产物结构、功能极为多样,具有抗感染、抗肿瘤、免疫调节等多种生物活性,是新药研发的重要来源.随着新一代DNA测序技术以及生物信息学工具的快速发展,微生物基因组中大量次级代谢产物的生物合成基因簇(biosynthetic gene clusters,BGCs)被发现,BGCs克隆与异源表达在研究次级代谢产物中...     

海洋链霉菌次级代谢产物研究进展

链霉菌作为最高等的放线菌,广泛分布于多种生态环境中,具有复杂而独特的形态分化周期和强大的次级代谢能力。链霉菌的次级代谢产物具有抗感染、抗肿瘤、抗炎抗氧化、免疫调节等生物活性,是天然活性产物的主要来源之一。近年来随着对海洋资源的开发,许多新型的海洋链霉菌及其丰富的次级代谢产物被发现。从海洋链霉菌的生物活性物质、育种和发酵培养3个方面综述了海洋链霉菌次级代谢产物的研究进展,以期为缩短海洋链霉菌的发酵周期,提高次级代谢产物产量活性以及开发新型的海洋药物等提供参考和借鉴。     

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。     

人体肠道4 644株代表菌次级代谢产物生物合成基因簇挖掘与耐药及毒力基因分析

为了更好地从肠道微生物组中挖掘新的次级代谢产物、了解肠道微生物组编码的抗生素耐药基因和毒力因子情况,本研究基于4 644株人体肠道微生物代表菌的基因组序列,对其编码的次级代谢产物基因簇、抗生素耐药基因和毒力因子进行了预测分析。经antiSMASH预测分析发现,超过60%的代表菌编码至少1个次级代谢产物基因簇,并从8个未可培养菌中发现了8个潜在的新颖次级代谢产物基因簇。人体肠道中的次级代谢产物主要由梭菌纲（Clostridia）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、拟杆菌纲（Bacteroidia）、放线菌纲（Actinobacteria）和厚壁菌纲（Negativicutes）6类细菌编码的非核糖体多肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase,NRPS）、细菌素、芳基多烯类化合物、萜烯、β-丙内酯、NRPS-样蛋白组成。经PathoFact预测分析发现,抗生素耐药基因和毒力因子在代表性菌株中分布广泛,但潜在病原菌编码频率更高。潜在病原菌中编码外膜蛋白、PapC N-端结构域、PapC C-端结构域、肽酶M16失活结构域等分泌型毒素和硝基还原酶家族、AcrB/AcrD/AcrF家族、PLD-样结构域、Cupin结构域、假定溶血素、S24-样肽酶、磷酸转移酶家族、内切核酸酶/外切核酸酶/磷酸酶家族、乙二醛酶/博莱霉素抗性等非分泌型毒素的频率较高。该研究将为进一步从肠道微生物组中挖掘新的微生物天然产物、了解肠道微生物的定殖与感染机制,为肠道微生物相关疾病提供靶向防治策略等奠定基础。     

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。     

极地放线菌次级代谢产物及药理活性研究进展CSCD

极地微生物处在南北极严峻、极端的自然环境下,体内的一些“沉默基因”可能会被激活,形成了独特的生存机制和生物合成途径,能够产生化学结构多样、活性显著的次级代谢产物。近年来,从极地放线菌中分离鉴定出一系列结构新颖、活性突出的次级代谢产物。本文综述了1999至2021年间的极地放线菌次级代谢产物及药理活性的研究进展,将极地放线菌来源的104个次级代谢产物按肽类、生物碱类、萜类、大环内酯类、聚酮类、大环内酰胺类等化学类别,着重介绍结构新颖和活性突出的次级代谢产物,为进一步开发利用极地放线菌、研发创新药物提供参考。     

链霉菌的全局调控蛋白DasR

链霉菌能够产生多种次级代谢产物,在临床、农牧业、生物技术等领域具有重要应用价值;对链霉菌的调控网络进行深入研究有助于提高次级代谢产物产量并发现新的次级代谢产物.链霉菌中次级代谢产物生物合成按调控通路分为全局调控与途径特异性调控,其中全局调控蛋白可靶向多种通路特异调控基因和生物合成基因,在链霉菌的生命活动中发挥着更为普遍...