转录组分析棒状链霉菌F613-1高产克拉维酸的分子基础

旨在探究S.clavuligerus工业菌株高产克拉维酸(CA)的分子基础。采用转录组高通量测序,对比标准菌株和高产CA的工业菌株F613-1之间的基因转录水平差异,结合菌株表型差异进行综合分析。结果表型比较显示,F613-1在固体培养基中生长速度、气生菌丝形态、孢子形成等方面与标准菌株存在差异。液体摇瓶培养中,菌体生长速度无明显变化,但F613-1的糖消耗量显著降低,同时CA产量比ATCC27064提高约11.7倍。转录组分析显示,F613-1中CA基因簇及其途径特异性调控基因的表达量显著升高,其副产物全霉素基因簇的表达量显著下降;CA合成原料精氨酸和3-磷酸甘油醛代谢相关基因的转录水平发生显著变化,精氨酸合成代谢基因上调,而3-磷酸甘油醛分解代谢基因下调;ABC转运系统中80多个基因的转录水平也发生明显变化,其中42个显著上调,38个显著下调。工业生产菌株高产克拉维酸的主要原因是CA基因簇及其调控基因表达量的升高、相关副产物基因簇的沉默及CA合成原料精氨酸和3-磷酸甘油醛的积累。     

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。     

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。     

钝齿棒杆菌GlnK在氮代谢调控及L-精氨酸合成中的功能

【目的】钝齿棒杆菌是重要的氨基酸生产菌株,本研究针对氮代谢PⅡ信号转导蛋白GlnK展开相关功能研究,分析其在钝齿棒杆菌氮代谢调控及L-精氨酸合成中的作用。【方法】以GlnK蛋白为研究对象,通过基因敲除等遗传方法获得过表达、敲除及敲弱glnK的重组钝齿棒杆菌,研究GlnK对NH_4~+吸收的影响,通过RT-qPCR和酶活测定,从转录水平和蛋白水平上揭示GlnK对氮代谢和L-精氨酸合成相关基因表达水平及酶活的影响,通过5-L发酵罐发酵产L-精氨酸研究GlnK对L-精氨酸合成的影响。【结果】过表达glnK能明显促进NH_4~+的吸收,而敲除glnK后则会抑制NH_4~+的摄取;RT-qPCR和酶活测定发现,相比于野生型菌株Cc5-5,glnK过表达菌株Cc-glnK中与铵吸收相关的基因,表达量平均上调约4.58倍,L-精氨酸合成基因簇中基因的表达水平平均上调1.50倍。Cc-glnK中氮代谢相关蛋白的酶活平均提高46.97%;L-精氨酸合成途径上7个关键酶的酶活平均提高30.00%;5-L发酵罐发酵各重组菌株结果表明,Cc-glnK菌株的产量可达49.53 g/L,产率为0.516 g/(L·h),相比于出发菌株Cc5-5,其L-精氨酸产量提高了28.65%。【结论】过表达GlnK能促进NH_4~+的吸收及利用,并通过影响L-精氨酸合成途径上关键基因的表达水平,提高关键酶的酶活,最终提高L-精氨酸的产量。本研究为后续探索钝齿棒杆菌氮代谢调控机制及代谢工程改造钝齿棒杆菌生产L-精氨酸提供了一种新的策略。     

发酵中克拉维酸降解因素的探讨

探讨了克拉维酸 (clavulanicacid ,CA)在发酵液中的降解因素 ,首先研究了培养基组分影响CA降解速率的大小 ,并计算出不同组分对其降解的速率常数 .然后 ,研究了发酵过程中在对数生长期和稳定期的克拉维酸降解速率常数。研究发现外界环境因素对CA降解速率的影响大小不同 ,通过对带棒链霉菌对数生长期和稳定期CA降解情况的研究 ,可以判断 ,在pH、温度等发酵条件一定的情况下 ,导致发酵后期CA严重降解的原因可能与菌体生长过程中产生的热敏性物质或者稳定期产生的次级代谢产物有关 。     

精氨酸代谢途径抗酸关键基因对乳酸乳球菌Lactococcus lactis NZ9000胁迫抗性的影响

【目的】寻找精氨酸代谢途径中与酸胁迫相关的关键作用因素。【方法】通过在Lactococcus lactis NZ9000中分别过量表达来源于Lactobacillus casei Zhang的精氨酰琥珀酸合成酶(ASS)和精氨酰琥珀酸裂解酶(ASL)改变精氨酸代谢提高酸胁迫抗性。【结果】与对照菌株对比,重组菌株在环境胁迫下表现了较高的生长性能、存活率和发酵性能。生理学分析发现,酸胁迫环境下,重组菌株细胞有较高的胞内NH4+、ATP含量和H+-ATPase活性,并显著提高了精氨酸脱亚胺酶(ADI)途径中的氨基酸浓度。进一步的转录分析发现,天冬氨酸合成、精氨酸代谢相关的基因转录水平上调。【结论】在L.lactis NZ9000中过量表达ASS或ASL可以引发精氨酸代谢流量的上调,进而提高了细胞的多种胁迫抗性。精氨酸合成途径广泛存在于多种微生物中,为微生物,尤其是工业微生物提高胁迫抗性提供了新思路。     

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。     

温度对粘质沙雷氏菌合成灵菌红素的影响

【目的】研究粘质沙雷氏菌(Serratia marcecens JNB5-1)在不同发酵温度(28℃和37℃)条件下蛋白质组的差异表达,探究粘质沙雷氏菌合成灵菌红素受温度调控的原因。【方法】利用二维凝胶电泳(2-DE)和基质辅助激光解析电离飞行时间串联质谱技术(MALDI-TOF-MS)分离和鉴定粘质沙雷氏菌在不同发酵温度(28℃和37℃)条件下的差异蛋白;再利用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)进一步分析挑选出的七个差异蛋白编码基因的转录水平。【结果】2-DE图谱显示,共鉴定到16个显著差异的蛋白点。其中,灵菌红素合成途径中的氧甲基转移酶(PigF)、氧化还原酶(PigN)和参与灵菌红素前体物质(脯氨酸、甲硫氨酸、丝氨酸、二辛烯醛和丙二酰-CoA等)代谢的相关蛋白(酶)的表达量在37℃条件下都出现极显著的下降;热休克蛋白(Hsp60)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase)等应急性蛋白在37℃条件下表达上调。通过RT-qPCR证实,氧甲基转移酶、氧化还原酶和转酮醇酶基因(transketolase)在37℃条件下的转录水平均低于28℃条件下的。【结论】S.marcecens JNB5-1在相对低温(28℃)条件下产灵菌红素,相对高温(37℃)条件下不产灵菌红素。可能是高温(37℃)显著抑制了灵菌红素合成相关酶的表达。     

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。     

洛伐他汀工业菌株土曲霉HZ01的次级代谢产物合成分析

【目的】分析洛伐他汀工业生产菌株土曲霉HZ01的次级代谢产物合成能力,为后期的遗传改造、次级代谢产物及其基因簇挖掘提供指导。【方法】对洛伐他汀发酵条件下的样品进行了转录组分析,同时运用色谱分离技术及波谱学方法对主要次级代谢产物进行了分离和结构鉴定。【结果】洛伐他汀合成相关基因转录水平非常高,还有4个聚酮合酶(PKS)、6个非核糖体多肽合成酶(NRPS)和1个PKS-NRPS杂合酶基因进行了转录,其他PKS和NRPS基因都处于沉默状态。此外,从该菌的发酵产物中分离鉴定了10个主要副产物并确定了其结构。【结论】土曲霉HZ01是一株优良的洛伐他汀生产菌株,在构建次级代谢产物异源合成细胞工厂和鉴定次级代谢产物生物合成途径方面具有很好的应用潜力。     

大肠杆菌突变株高密度生长的多因素分析

【背景】pBHR68是表达聚-3-羟基丁酸酯(Poly-3-Hydroxybutyrate,PHB)合成基因簇的高拷贝质粒,大肠杆菌K-12突变菌株S17-3在携带该质粒时生长密度高,耐低p H且在低pH条件下生长时高产可拉酸(Colanic Acid,CA)。【目的】系统探究与菌种(大肠杆菌S17-3)及质粒(pBHR68)相关的高密度生长现象的分子机理,提示PHB和CA合成代谢与高密度生长的偶联机制。【方法】解析质粒的构成、CA合成途径基因组成对高密度生长现象的影响;利用全基因组同比分析寻找可能的关键突变基因;开展转录组学分析,筛查大肠杆菌S17-3及其转化子在不同培养方式中的转录组数据,通过基因敲除实现基因功能及细胞生长状态的验证。【结果】大肠杆菌S17-3的高密度生长菌与PHB合成的操纵子的过表达以及rhsA的多位点突变相关,RcsA是CA合成与高密度生长中碳代谢流调控的关键调控蛋白。在低pH培养时,敲除可拉酸合成的关键糖基转移酶导致生物量提升;此外,大肠杆菌S17-3/pBHR68的高密度生长还可能与乳糖操纵子异常的转录调控相关,lacZ突变株高密度生长特性消失,而且无法合成可拉酸。【结论】研究分析了引起大肠杆菌S17-3高密度生长的多种因素,为大肠杆菌提高生长密度现象的进一步分析提供了重要线索,也为利用大肠杆菌S17-3的优异生理特性将其改造为寡糖合成的底盘细胞奠定了研究基础。     

低聚磷酸盐促进cAMP发酵合成的全局转录组分析

目的：以节杆菌Arthrobacter sp. CCTCC 2013431为研究对象,探究低聚磷酸盐作为能量供体促进环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)发酵合成的作用机理。方法：在7 L发酵罐中添加低聚磷酸盐,对发酵性能、转录组学、关键酶活性以及重要代谢物水平进行分析,揭示低聚磷酸盐促进cAMP发酵合成的机理。结果：发酵24 h添加2 g/L六偏磷酸钠,cAMP产量显著提高,达到3.64 g/L,与对照组相比提高了33.82%。转录组数据分析表明,由于六偏磷酸钠的添加,227个基因表达量显著上调,265个基因表达量显著下调;磷酸戊糖途径和cAMP合成途径中多数酶编码基因的转录水平,电子传递链中复合体Ⅲ、复合体IV和F₀F₁-ATP酶以及聚磷酸盐激酶编码基因的转录水平,硫氧还蛋白、过氧化氢酶及CLP蛋白酶等编码基因的转录水平均显著提高。此外,对丙酮酸激酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、腺苷琥珀酸合成酶、腺苷酸环化酶、过氧化氢酶、聚磷酸盐激酶活性以及胞内活性氧、ATP和NADPH等进行测定,进一步证明了转...     

植物内生链霉菌Streptomyces sp. SAT1的基因组测序和比较基因组分析

【背景】一直以来,链霉菌都是活性物质的主要生产者,近年来随着抗生素滥用引起的环境和微生物抗药性问题越发严重,挖掘高效生物防治因子和新型抗生素成为了解决以上问题的重要手段。【目的】通过获得植物内生链霉菌SAT1全基因组序列和次级代谢基因簇信息,利用比较基因组学和泛基因组学分析SAT1菌株的特殊性以及与其他链霉菌的共性,为阐明SAT1抑菌和内生机制提供理论基础,为揭示链霉菌的生态功能提供可靠数据。【方法】通过三代测序平台PacBio Sequel完成SAT1基因组测序,利用生物信息学技术进行注释和功能基因分类;分别利用RAxML和PGAP软件进行系统发育树的构建和泛基因组分析;次级代谢基因簇的预测和分析通过antiSMASH网站完成。【结果】获得SAT1菌株的全基因组完成图,该菌线性染色体长度约7.47 Mb,包含有4个质粒,GC含量近73%,共预测到7 550个蛋白编码基因,含有37个次级代谢基因簇,分属29个类型,其中默诺霉素基因簇与加纳链霉菌具有较高相似性。42株代表链霉菌中,单个菌株次级代谢基因簇数量为20-55个,主要类型为PKS类、Terpene类和Nrps类,而且含有大量杂合基因簇,各个菌株中特有基因数目较为庞大。【结论】链霉菌SAT1菌株在基因组特点以及次级代谢基因簇的数量和类型上与其余41株链霉菌具有一定的共性,其中潮霉素B基因簇和默诺霉素基因簇合成的相关物质可能与SAT1抑菌活性密切相关。42株链霉菌中次级代谢基因簇数量的多少与基因组大小成正相关,同时大量杂合基因簇以及庞大的特有基因数目的存在说明链霉菌在长期进化过程中存在了很高程度的水平基因转移现象,可能具有重要的生态功能。     

乙醇胁迫抑制毕赤酵母表达外源蛋白的转录组学分析

在5 L发酵罐中进行毕赤酵母发酵表达猪?干扰素的实验,发现甘油培养末期乙醇的积累会抑制外源蛋白的表达。从转录组学角度系统分析不同浓度乙醇胁迫条件下,毕赤酵母甘油培养期和甲醇诱导期细胞的生理状态变化。研究结果表明,在甘油培养期,乙醇胁迫使得毕赤酵母细胞中的545个基因发生了显著差异表达(265个基因表达上调,280个基因表达下调),这些差异表达基因的功能主要涉及蛋白质合成、能量代谢、细胞周期和过氧化物酶代谢。乙醇胁迫增加了蛋白质错误折叠的情况,降低了核糖体和线粒体的结构完整性,使得甘油培养末期无法得到大量具有健全功能的酵母细胞。在甲醇诱导期,与甲醇代谢、蛋白质加工合成、氨基酸代谢等途径相关的294个基因发生了显著差异表达(171个基因表达上调,123个基因表达下调),导致内质网胁迫不能被及时解除,破坏了细胞内的氨基酸正常代谢。     

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。     

携带Paenibacillus polymyxa WLY78固氮基因簇(nif)的重组大肠杆菌Escherichia coli 78-7转录组分析（英文）

【目的】来自Paenibacillus polymyxa WLY78的固氮基因簇(nifBHDKEf NXhesAnifV)可以转化入Escherichia coli中表达并使重组大肠杆菌合成有固氮活性的固氮酶。本文拟通过对重组大肠杆菌E.coli78-7的转录组分析以提高其固氮能力。【方法】对固氮条件(无氧无NH+4)和非固氮条件(空气和100 mmol/L NH_4~+)培养的重组大肠杆菌E.coli 78-7进行转录组分析。【结果】nif基因在两种培养条件下显著表达,说明在重组大肠杆菌中可规避原菌中氧气和NH_4~+对nif基因的负调控。对于固氮过程必需的非nif基因,如参与钼、硫、铁元素转运的mod、cys和feoAB,这些基因在两种培养条件下表达水平有差异。而参与铁硫簇合成的suf和isc基因簇在两条件下表达水平差异巨大。此外,参与氮代谢的基因在固氮条件下显著上调。【结论】重组大肠杆菌中与固氮相关的非nif基因在该菌的固氮过程中具有较大影响,本文对在异源宿主中调高固氮酶活性研究具有重要意义。     

代谢途径酶活促进剂对番茄红素发酵的影响

考察了几种代谢途径中关键酶活促进剂对番茄红素发酵的影响。通过添加代谢途径中HMg-CoA还原酶与MVA激酶酶活促进剂,提高类胡萝卜素前体物质的生物合成,从而促进三孢布拉霉菌合成番茄红素的能力。实验结果表明,发酵24 h分别加入质量分数0.05%的某醇及其代谢产物A、1 mg/L的青霉素和质量分数0.1%β-紫罗酮,番茄红素的产量分别提高了31%,32%及35%,最大产量达到1.54 g/L。     

北极海洋链霉菌604F的卤化酶基因克隆及特征

【目的】本研究旨在克隆来自北极海洋、具有合成卤化物潜力的链霉菌(Streptomyces sp.)604F中的一个卤化酶基因,为后续克隆卤化物合成基因簇、分离鉴定卤化物提供指导。【方法】利用琼脂块法初步测试抗菌活性,借助液相色谱-飞行时间串联质谱技术(LC-Tof MS)初步寻找Streptomyces sp.604F发酵粗提液中的卤化物,并以简并PCR扩增合成次级代谢产物的指示基因(I型、II型聚酮合酶及非核糖体多肽合成酶编码基因);根据依赖黄素腺嘌呤二核苷酸的卤化酶基因保守区设计的简并引物,扩增基因片段并测序分析;采用高效热不对称交错PCR(hiTAIL-PCR)技术扩增卤化酶基因全长。【结果】Streptomyces sp.604F具有较强的抗白色念珠菌活性,其基因组同时含有编码I型聚酮合酶、II型聚酮合酶和非核糖体多肽合成酶基因,以及卤化酶基因;通过染色体步移克隆该卤化酶基因全长,共1443 bp,编码一个新的非色氨酸卤化酶,在合成已知卤化物的卤化酶数据库中,与其同源关系最近的为一类参与合成糖肽类次级代谢产物的卤化酶。【结论】Streptomyces sp.604F具有新的非色氨酸卤化酶,且推测参与糖肽类化合物的卤化修饰,为后续寻找目的卤化物提供了指导,也为研究该合成基因簇奠定基础。     

工程改造龟裂链霉菌提高土霉素产量

土霉素是由龟裂链霉菌合成的一类广谱性抗生素,前期研究工作证明其生物合成受其自身途径特异性调控蛋白OtcR的直接调节,OtcR能够激活和促进土霉素合成基因簇的转录表达。在龟裂链霉菌M4018宿主内利用强启动子单独过表达OtcR蛋白,使土霉素的产量提高到原来产量的4倍;为了进一步提高土霉素产量,在M4108宿主内表达乙酰辅酶A羧化酶基因,提高其胞内土霉素合成的前体物丙二酸单酰辅酶A的含量。对出发菌株M4018进行工程改造,同时过表达途径特异性调控蛋白OtcR和乙酰辅酶A羧化酶,发酵检测改造后的重组工程菌株土霉素的产量由1.37g/L提高到9.09g/L,该研究策略对工程改造龟裂链霉菌提高土霉素的产量具有重要的指导意义。     

假单胞菌GP72 rpeB突变株的构建及其对吩嗪类抗生素合成的调控

[目的]绿针假单胞菌GP72是一株可生产吩嗪类抗生素吩嗪-1-羧酸(PCA)及2-羟基吩嗪(2-OH-PHZ)的生防假单胞菌.RpeA/RpeB双元调控系统是其双元调控系统中的一组,本文旨在研究这一系统中的应答调控子(RR)RpeB对于PCA及2-OH-PHZ的生物合成影响.[方法]通过生物信息学分析获得了rpeA/rpeB双元调控系统的序列,并从GP72中扩增出rpeB基因,通过同源重组技术构建卡那霉素抗性片段插入突变rpeB的突变菌株GP72BN.利用发酵实验、rpeB基因回补实验及荧光定量PCR实验,验证rpeB对于吩嗪类抗生素合成及相关基因表达的调控作用.[结果]在KMB培养基中,rpeB突变株的PCA产量下降为野生型的49.5％,2-OH-PHZ产量下降为野生型的67.3％.rpeB基因的回补可以在一定程度上回复PCA及2-OH-PHZ的产量.荧光定量PCR实验结果表明,rpeB突变株中群体感应系统基因phzI/phzR及吩嗪合成基因簇基因phzE转录水平均显著下调,而PCA转化为2-OH-PHZ的修饰基因phzO转录水平变化不显著.[结论]RpeB正调控PCA与2-OH-PHZ合成途径的表达.RpeB很可能是通过调控群体感应基因phzI/phzR和phz基因簇的表达,从而影响PCA的合成,并间接调控其衍生物2-OH-PHZ的合成.