白僵菌天然产物及其药理活性和生物合成研究进展

白僵菌是重要的昆虫病原真菌,能产生多肽类、聚酮类、生物碱类、苯丙素类、萜类、核苷类等多种结构类型的天然产物,其中很多天然产物显示出优良的抗肿瘤、抗菌、抗病毒和杀虫等活性,具有极大的应用开发潜力。随着白僵菌基因组测序的完成,白僵菌素、白僵菌交酯、球孢交酯、卵孢素及纤细素等活性分子的生物合成基因簇及其生物合成机制已得到阐明,这些研究将大大促进白僵菌来源的新结构活性天然产物的基因组挖掘和发现以及已知重要活性分子的开发应用。本文对已知白僵菌产生的天然产物、药理活性及重要活性分子的生物合成途径进行了概括总结,为系统开发白僵菌天然产物资源提供参考。     

隐性次级代谢产物生物合成基因簇的激活及天然产物定向发现

传统的"活性-化合物"天然药物发现方法导致大量已知化合物被重复分离,大大加剧了新药发现的难度。规模化基因组测序揭示了微生物基因组中存在大量的隐性(cryptic)次级代谢产物生物合成基因簇,如何激活这些隐性基因簇成为当今世界天然产物研究领域的难点与热点。本文从途径特异性和多效性两个角度综述了隐性生物合成基因簇激活策略;同时,对基因组信息指导下结构导向(structure-guided)的化合物定向分离技术进行了归纳。隐性基因簇的激活为定向发掘具有优良活性的新型天然产物提供了新的契机。     

非核糖体多肽Surugamides生物合成基因簇镶嵌式结构的解析

【目的】多肽化合物Surugamides(sgm)生物合成基因簇包含4个非核糖体多肽合酶(NRPS)基因surA–D,负责2个NRPS生物合成途径。已有报道确认surA基因与SurugamideA产物相关,而surB基因与sgm F产物相关,但对surC和surD基因功能的归属尚没有实验证据。本工作拟在之前研究的基础上进一步确认surA和surD负责Surugamide A产物生物合成,为基因工程改造Surugamides生物合成途径以及研究其NRPS蛋白之间的识别机制提供理论依据。【方法】从海绵中分离放线菌并通过16S rRNA基因序列比对分析其分类单元。通过在线数据库antiSMASH分析基因组序列,发现天然产物生物合成基因簇。通过UPLC-Q-TOF-MS和~(13)CNMR鉴定化合物结构。把构建完成的同源重组双交换质粒导入链霉菌宿主后筛选基因缺失或替换突变株。【结果】从胄甲海绵来源链霉菌S.albidoflavus LHW3101基因组中发现了Surugamides生物合成基因簇,确认了该菌株发酵产物中的化合物sgmA和sgm F。构建了surB和surC基因同时缺失的突变株RJ9,发现RJ9不再产sgm F而仍然产Surugamide A。在缺失突变surB和surC基因的同时在surD基因前引入了组成型强启动子ermEp*,结果发现RJ9产SurugamideA水平是野生型菌株的约2倍。【结论】确认了surB和surC基因与sgmA产物无关。在surD基因前引入强启动子后显著提高了SurugamideA的产量,提示surD基因与sgmA产物相关,结合已报到surA基因与Surugamide A产物相关的证据,进一步确认了surA和surD基因负责Surugamide A生物合成的推论。     

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。     

可培养海洋放线菌生物多样性的研究进展

海洋放线菌是新药开发和天然活性产物的重要来源,海洋放线菌的生物多样性是代谢产物功能多样性的基础,因此研究可培养放线菌的生物多样性具有重要的意义。综述了近年来可培养的海洋放线菌生物多样性的研究进展,尤其是海绵共附生放线菌、深海放线菌和海洋固有放线菌的研究进展,对可培养的海洋放线菌的分离培养方法,包括样品处理、培养基的选择等进行了重点介绍,并对未培养海洋放线菌的分离培养进行了探讨,强调了建立区域性海洋放线菌菌种及基因资源库的重要性。     

天然产物类药物的合成生物学研究

结构复杂多样的天然产物是现代药物的重要组成部分和新药发现的重要源泉。建立在基因工程及代谢工程、合成化学、基因组学、系统生物学等学科基础上的合成生物学研究对于结构复杂的天然产物类药物研究有特殊的意义。核心是通过在发酵友好、高效的微生物中设计、构建目标化合物的生物合成途径,经系统地调控和优化由重组微生物发酵生产来源稀缺的天然产物类药物或前体。该方法是不远的将来解决来源、成本与环境、资源协调问题最好的途径之一,也是解决海洋天然产物或特殊生境微生物药物面临的如何持续供应化合物这一个瓶颈问题的最佳选择。该文将对天然产物类药物合成生物学研究涉及的主要策略和重要进展进行阐述。     

基因组挖掘技术在海洋放线菌天然产物研究开发中的应用及展望

利用微生物的基因组信息预测其合成特定天然产物的潜能, 进而进行新化合物分离纯化和结构鉴定的基因组挖掘技术, 已经成为国内外研究的热点, 并在多种细菌和真菌的天然产物发现中得到成功应用。本文综述了基因组挖掘技术的最新进展, 包括生物信息分析和结构预测、基因组指导的天然产物的发现、沉默基因的激活和异源表达技术等, 以及我国学者开发的转录组挖掘技术, 并重点综述了影像质谱技术在基因组挖掘中的应用。目前对海洋放线菌进行基因组挖掘的研究还比较少, 而基因组挖掘技术的发展, 将极大地促进对海洋放线菌天然产物的发现和鉴定。未来除了充分挖掘可培养微生物的基因组, 对未培养微生物宏基因组的挖掘将进一步深入。此外, 除了开发利用基因组中合成天然产物的结构基因和调节基因, 还应该充分开发利用其他不同的遗传元件, 包括不同转录活性和响应不同环境条件和信号的启动子, 以及具有调节作用的RNA等。     

海绵共附生微生物的研究新进展

海绵是最原始的一类后生动物,已被作为海洋活性化合物的重要来源之一,其独特的孔状结构使其成为许多海洋微生物的优良宿主。近年来国内对海绵及其共附生微生物的研究主要集中在它们产生的活性物质方面,但对海绵共附生微生物的分布、多样性及其对宿主海绵作用的研究鲜有报道,就国内外研究进展进行了综述。     

中国海洋共附生真菌次生代谢产物最新研究进展

我国海洋共附生真菌研究起步较晚,近年来取得大量有价值的成果,本文主要综述我国海洋共附生真菌次生代谢产物结构和生理活性研究中的最新进展.     

色氨酸, 天然产物生物合成中的重要结构单元

氨基酸作为生物体内组成生命物质的小分子化合物, 在天然产物生物合成中扮演了非常重要的作用。色氨酸含有一个独特的吲哚环, 相对复杂的吲哚环平面结构使得色氨酸相比其他氨基酸具有更多的修饰空间。在微生物天然产物生物合成研究中, 色氨酸及其衍生物经常作为组成模块参与到天然产物的生物合成中, 本文概述了色氨酸几种不同的生物修饰方式, 包括烷基化修饰、卤化修饰、羟基化修饰、以及吲哚环的开环重排反应等。分析并总结色氨酸在天然产物生物合成中的作用可以增加我们对天然产物结构多样性的认识和推动天然产物生物合成机制的研究。     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

微生物次生代谢产物的生物合成

来源于微生物的次生代谢产物是新药发现和发展的重要源泉,也是行之有效、研究生物学问题的探针工具。微生物产生次生代谢产物的目的并非为人类所用,而是以之为工具或媒介,调控其内在的生物化学过程并响应各种外部环境的变化。另一方面,微生物也通过其产物的结构改变、优化和最终选择,适应各种动态、可变的生物学过程。化学结构与生物功能的共进化,体现了自然中小分子基于普适性与特异性的演变规律。围绕微生物次生代谢产物的生物合成机制,《微生物学通报》本期推出的《微生物天然产物发现及生物合成主题刊》包括16篇论文,内容涵盖了天然产物相关的化学结构、生物学功能、合成代谢途径、酶促反应机理、生物信息学分析等多个方面。期望该主题刊的出版有助于加强我国相关领域专家之间的交流与合作,促进微生物生物化学方向的学科发展。     

链霉菌启动子及其应用研究进展

链霉菌天然产物因其显著的生物活性一直是新药开发的重要来源,测序技术的发展揭示了链霉菌强大的生物合成潜力。链霉菌中多数次级代谢生物合成基因簇(biosynthetic geneclusters,BGCs)在常规实验条件下表达水平低甚至不表达,这使得相关天然产物的开发受到阻碍。原位激活和异源表达是挖掘链霉菌天然产物的有效方式,启动子作为基因表达的“开关”,在其中发挥着重要作用。因此对启动子的研究可以有效地促进BGCs的激活,从而挖掘新天然产物。本文重点阐述了链霉菌启动子的结构特征及其挖掘表征和设计构建的思路,并列举了链霉菌启动子在天然产物开发中的应用,有望为链霉菌生物合成路径的优化以及全新生物活性物质的发现提供思路和方法学参考。     

石磺来源海洋链霉菌Streptomyces ardesiacus SCSIO LO23中germicidin类化合物的分离鉴定及其生物合成分析

海洋共附生放线菌具有生产结构特殊和活性显著化合物的潜力。【目的】以海洋软体动物石磺Onchidium sp.来源共附生海洋链霉菌Streptomyces ardesiacus SCSIO LO23为研究对象,分离并鉴定其次级代谢产物结构,分析化合物的生物合成基因簇及其生物合成途径。【方法】采用多种培养基对该菌株进行发酵优化并放大发酵,利用多种柱色谱方法分离得到germicidin类化合物,并利用波谱学手段和X-Ray单晶衍射技术完成化合物的结构鉴定;利用Illumina HiSeq对目标菌株进行全基因组测序,结合antiSMASH和BLAST在线分析软件实现菌株中germicidin类化合物生物合成基因功能注释和生物合成途径分析,并通过异源表达进一步确定其生物合成基因。【结果】从AM3培养基发酵产物中分离鉴定了6个吡喃酮类化合物germicidinA(1)、germicidinB(2)、germicidin D (3)、germicidin H (4)、isogermicidin A (5)和isogermicidin B (6),其中化合物2和6对斑马鱼神经行为有显著兴奋作用。通过对...     

合成生物学与天然产物开发

天然产物依然是临床用药的重要来源。合成生物学的诞生为天然产物的开发提供了全新的机遇,传统的微生物药物、植物天然产物等研究领域都因合成生物学而获得新生。重点介绍了合成生物学在天然产物开发中的应用,包括新化合物及其生物合成元件的筛选,基于理性设计的天然产物异源生物合成,人工底盘细胞的系统优化等。     

基因簇大片段克隆技术研究进展及挑战

天然产物结构复杂、活性多样,是新药开发的重要来源,对天然产物生物合成途径的研究,有利于探索酶催化的合成机制,促进复杂天然产物的应用。天然产物的生物合成由其对应的基因簇调控,其中大量天然产物生物合成基因簇(biosynthetic gene clusters,BGCs)在野生型菌株中无法表达或表达量低。对这些基因簇的研究,需要进行克隆表达,而如何克隆大片段基因簇并使其表达,从而发现新型天然产物是一个具有挑战性的问题。其中构建基因组文库、转化关联重组(transformation-associated recombination,TAR)、Red/ET重组等是克隆大片段基因簇的重要技术。本文从克隆技术的策略和应用两个方面,总结了这3种克隆技术目前的研究进展,讨论了目前大片段基因簇克隆技术面临的挑战,为研究大片段基因簇提供方法学借鉴。     

海洋放线菌Marinactinospora thermotolerans的研究进展

海洋放线菌以产生多种活性天然产物而著称,其中部分结构新颖的活性化合物具有发展成为新药的巨大潜力,引起国内外相关领域研究人员的极大关注。同时,也促进了我国海洋放线菌研究工作的全面展开。本文系统综述了海洋放线菌新属种Marinactinospora thermotolerans的分类鉴定、新颖的次级代谢产物的发现及其生物合成机制以及该菌株的全基因组生物信息学分析等方面的最新研究进展,以期能为其他海洋放线菌新属种的分类鉴定、活性次级代谢产物的发现和生物合成机制研究提供借鉴作用。     

戊二酰亚胺类天然产物生物合成研究进展

微生物天然产物是天然药物的重要组成部分,而天然产物的良好生物活性很大程度上取决于发挥药效的结构基团。这些特殊药效基团的生物合成,通常是利用小分子羧酸、氨基酸等结构简单的初级代谢产物,经过复杂的生物化学过程,最终合成结构复杂活性多样的天然产物。戊二酰亚胺类天然产物是一类重要的细菌来源天然产物,它们具有良好的生物活性,是潜在的先导化合物,部分化合物已被开发成分子探针。本文综述了近年来微生物来源的戊二酰亚胺类天然产物及其生物合成研究,包括Iso-Migrastatin、Lactimidomyin、Cycloheximide、Streptimidone、Gladiostatin、Sesbanimide等,对戊二酰亚胺类天然产物的生物合成研究,将有效促进通过基因组挖掘策略寻找新型戊二酰亚胺类天然产物。     

天然产物的生物合成专刊序言

天然产物是创新药物、食品、香料和日化产品等的重要来源,和人民的健康生活息息相关.近年来,随着现代生物学技术和天然产物化学技术的发展和融合,天然产物生物合成研究得到了迅猛的发展.一批天然产物的生物合成途径被解析,许多天然产物生物合成相关的途径酶与后修饰酶被挖掘和功能表征.进一步,这些参与天然产物生物合成的途径酶编码基因被...     

肽类抗生素生物合成基因簇在Escherichia coli中的异源表达

微生物能够产生众多结构和生物活性多样的次生代谢产物,而其生物合成基因簇的挖掘和异源表达是药物创新和产量提高的必要前提. 在过去20年里,大量重要天然产物的生物合成基因簇在微生物中被不断的发现. 在这些被挖掘的基因簇中,肽类抗生素的生物合成基因簇占了很大比重.肽类抗生素因具有抗菌、抗肿瘤、抗病毒等多种生物学活性而备受化学家和药物学家的重视. 如能了解它们的生物合成机制,实现其基因簇的异源表达,将使合理化遗传修饰生物合成通路获取结构类似物（药物开发）和提高产量成为可能. 大肠杆菌作为最广泛、最成功的表达体系,常用来表达外源基因,但一般只能表达一个或几个基因,却很少有用它来表达整个生物合成基因簇. 2001年,Khosla和Cane在E.coli中成功异源表达了一个复杂聚酮天然产物（红霉素苷原6dEB）基因簇. 这是首个有关在E.coli中异源表达天然产物生物合成基因簇的研究. 至此之后,大肠杆菌开始作为生物合成基因簇的异源表达宿主,越来越受到相关领域的重视. 紧接着核糖体肽和非核糖体肽生物合成基因簇也相继在大肠杆菌中成功异源表达. 本文对肽类抗生素生物合成基因簇在E.coli中的异源表达进行了综述.