植物次生代谢基因簇研究进展

类似于原核生物的操纵子,在真核生物（如酵母、真菌、昆虫等）基因组中也出现了彼此功能相关的非同源基因成簇存在的现象。这些基因形成基因簇,可参与多种次生代谢途径。近年来,植物中也发现了越来越多的参与次生代谢产物合成的基因簇,它们已成为植物生物学研究的热点。本文总结并分析了植物中已鉴定的次生代谢基因簇。这些基因簇存在于玉米（Zea mays L.）、水稻（Oryza sativa L.）、拟南芥（Arabidopsis thaliana（L.） Heynh.）、番茄（Solanum lycopersicum L.）等植物的基因组中,分别参与合成苯并噁唑嗪酮类、萜类和生物碱类等次生代谢产物。本文通过解析这些基因簇的组成及结构特点,对其特征进行总结,探讨了基因簇形成的分子机理及其调控机制,对植物次生代谢基因簇在合成生物学及代谢工程学中的研究方向和应用前景进行了展望。     

拟南芥花药绒毡层细胞中具有基因簇特征的基因进化和功能分析

在植物基因组中, 除了同源基因成簇现象外, 近年来还发现一些具有共表达特性的异源基因也能够以基因簇形式存在, 但这些异源基因簇的进化和生物学功能尚不清楚。花药发育和花粉形成是植物进化出的特有的生殖生物学过程, 同时产生了一些在花药绒毡层中特异表达和特定功能的基因簇基因。该研究通过筛选和分析花药绒毡层中基因簇基因的分子特性、表达调控、基因年龄和基因重复进化等信息, 探讨花药基因簇基因与植物开花功能进化之间的关系。结果表明, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中共筛选到84个(13个基因簇)花药绒毡层特异高表达的基因簇基因, 它们主要产生于串联重复事件, 76%的基因出现在开花植物分化后的阶段, 主要参与生殖发育、花粉鞘组成和脂代谢等生物学过程。研究初步解析了拟南芥花药绒毡层中基因簇基因的基本特征、生物学功能和基因进化机制, 为深入揭示植物基因簇基因的遗传学功能奠定了基础。     

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。     

12个物种miR-302基因簇的生物信息学分析

很多microRNA (miRNA)基因在基因组上聚集排列形成miRNA基因簇.miRNA基因簇在进化上较为保守,有其特殊的生物学意义.miR-302基因簇在胚胎干细胞中特异表达,对胚胎干细胞的自我更新和多潜能维持有重要的作用.本文采用miRBase数据库查询和BLAST同源搜索方法共搜寻并分析了12个物种的miR-302基因簇.生物信息学分析表明,这些物种miR-302基因簇均位于LARP7蛋白基因的内含子区,但转录方向与LARP7基因转录方向相反.序列相似性分析显示,同一物种miR-302簇成员间以及不同物种相应miR-302簇成员间相似性均较高.进化分析表明,基因复制可能是miR-302基因簇进化的主要驱动力.     

紫色非硫细菌的砷代谢机制

[目的]系统阐述紫色非硫细菌(PNSB)砷代谢机制和砷代谢基因簇的进化关系.[方法]通过生物信息学方法分析了PNSB砷代谢基因簇的分布、组成、排布方式.采用UV-Vis和HPLC-ICP-MS方法,研究了3个PNSB种类对砷的抗性、砷形态及价态的转化、砷在细胞中的积累和分布以及磷酸盐对As细胞毒性的影响.[结果]砷基因簇分析表明:已公布全基因组序列的17个PNSB菌株基因组中均含有以ars operon为核心的砷代谢基因簇,由1-4个操纵子组成,主要含有与细胞质砷还原和砷甲基化代谢相关的基因,但基因的组成和排列方式因种和菌株而异,尤其是arsM和两类进化来源不同的arsC.实验结果表明:光照厌氧条件下,3个PNSB种类对As(V)和As(Ⅲ)均具有抗性,As(V)和As(Ⅲ)均能进入细胞 ;在胞内As(V)能够还原为As(Ⅲ)并被排出胞外,但不能将As(Ⅲ)氧化为As(V),也未检测到甲基砷化物 ;磷酸盐浓度升高,能够抑制As(V)进入细胞,降低As(V)对细胞的毒性,而不能抑制As(Ⅲ)进入细胞.[结论]PNSB砷代谢机制主体为细胞质As(V)还原,也还有砷甲基化途径.通过对砷代谢基因簇结构多样性特点和进化方式分析,提出了与Rosen不同的ars operon进化途径.这对深入开展PNSB砷代谢和基因之间的相互作用研究奠定基础.     

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。     

贝莱斯芽孢杆菌生防次级代谢产物研究进展

贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）是生防芽孢杆菌中的重要代表,作为微生物农药的核心菌种,已被广泛应用于作物病害生物防治。贝莱斯芽孢杆菌具有植物内生性,其生防作用机制主要包括产生次级代谢产物对抗植物病原物;改善宿主植物根际微生物群落,促进宿主营养和生长;激发宿主植物产生防御反应,诱导植物获得系统抗性。其中,产生次级代谢产物是其最重要的生防作用机制。贝莱斯芽孢杆菌含有多个编码生物合成次级代谢产物的基因簇,其中包括编码聚酮化合物合酶（PKS）和非核糖体肽合成酶（NRPS）的基因簇,同时存在核糖体途径合成次级代谢产物基因簇。通过非核糖体途径可产生脂肽类化合物、聚酮类化合物、二肽和铁载体;通过核糖体途径产生小菌素、细菌素、羊毛硫抗生素。这些具有生物活性的次级代谢产物成为了天然新药和候选抗生素的储存库,对于解析生防菌作用机制具有重要意义。本文综述了贝莱斯芽孢杆菌的命名与更迭,产生次级代谢产物的类型、合成与调控基因以及靶标病原菌,以期为生防菌株的改良和生物农药的研发提供参考。     

链霉菌基因组岛和次生代谢物合成相关的生物信息学工具及数据库

随着DNA测序技术的进步, 迄今为止已有12个链霉菌基因组被测序。面对海量组学的数据, 急需采用生物信息学方法来大规模深度挖掘这些重要微生物资源, 进而实现链霉菌资源挖掘和代谢潜力释放的深度互动。围绕链霉菌基因组比较分析中菌株特有的基因组岛和次生代谢物生物合成基因簇的识别及功能解析等两个常见问题, 本文收集了近期开发的一些常用生物信息学工具和二级数据库。以链霉菌染色体核心区和两臂的划分、天蓝色链霉菌和变铅青链霉菌基因组岛的识别、卡特利链霉菌巨型质粒的鉴别为例, 简介了这些生物信息学资源的使用方法。此外, 还简述了我们课题组进行放线菌型整合性接合元件识别和开发硫肽生物合成基因簇预测新工具的一些尝试。生物信息学工具和二级数据库在链霉菌基因组比较分析中有重要作用, 可将研究重点迅速地聚焦在某株菌的可移动遗传元件和次生代谢物生成基因簇上, 确定其对应的菌株特有表型, 及解析新型化合物生物合成和调控机理。     

对水稻4号染色体上一个编码二氢黄酮醇还原酶类似蛋白基因簇的结构和进化分析

通过对水稻 4号染色体一段 32 3kb的序列测定和分析 ,在其中 56kb的区域内发现了一个由 7个编码二氢黄酮醇还原酶 (DFR)类似蛋白基因组成的基因簇。这 7个基因在基因簇中串联排列 ,每个基因都由 6个外显子和 5个内含子组成。这 7个基因的预测蛋白质序列都和DFR以及BANYULS蛋白序列类似。DFR和BANYULS都是植物次生代谢类黄酮醇生物合成途径中的结构基因 ,它们的缺失或突变都会造成植物花色素合成代谢的不正常。RT PCR实验证明这 7个基因在水稻的 5个组织中表达不同。文中讨论了这 7个基因的结构和功能特性以及它们的进化关系。     

植物乳杆菌C88胞外多糖生物合成基因的克隆及序列比对

乳酸菌胞外多糖能显著改善发酵乳制品及食品的流变学和质构特性.为进一步了解乳酸菌胞外多糖的生物合成途径及调控机制,本研究对参与植物乳杆菌C88胞外多糖生物合成基因簇的部分序列进行了克隆和鉴定.根据GenBank中已报道植物乳杆菌基因序列的保守区域设计特异性引物,扩增出植物乳杆菌C88生物合成蛋白基因(cps4A)序列,并通过染色体步移方法克隆了植物乳杆菌C88 参与胞外多糖合成基因簇的部分序列(4.9 kb).利用生物信息学方法预测基因簇中6个阅读框的结构和功能,结果表明该序列与已报道的乳酸杆菌胞外多糖生物合成基因具有高度的同源性(>96%);对各阅读框功能预测分析发现,这6个基因主要编码参与胞外多糖合成中的多糖合成蛋白、糖链长度检测蛋白、UDP-葡萄糖-4-异构酶和糖基转移酶.本研究将为利用基因工程方法调控多糖的合成和产量提供理论依据.     

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.     

植物次生代谢物途径及其研究进展

植物次生代谢是植物在长期进化过程中与环境相互作用的结果,由初生代谢派生。萜类、生物碱类、苯丙烷类为植物次生代谢物的主要类型,其代谢途径多以代谢频道形式存在,具有种属、生长发育期等特异性。从植物次生代谢物的分类、代谢途径及代谢调控基因工程等方面展开论述,重点介绍了次生代谢物的生物合成途径,以及利用基因工程等技术对植物次生代谢途径进行遗传改良等方面的研究进展,为全面认识植物代谢网络、合理定位次生代谢及其关键酶、促进野生植物资源可持续利用等提供理论依据。     

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...     

基因组挖掘默诺霉素生物合成基因簇的比较分析

通过对NCBI数据库的检索,使用次级代谢基因挖掘的方法对整个基因组数据进行扫描,发现含有潜在的默诺霉素家族磷酸糖脂类抗生素合成途径基因簇的6株链霉菌:Streptomyces ghanaensis、Streptomyces bambergiensis、 Streptomyces prasinus、 Streptomyces lincolnensis、 Streptomyces. sp. SAT1和Streptomyces clavuligerus。将搜寻获取的候选基因簇与S. ghanaensis中的默诺霉素合成相关基因簇进行比较基因组学分析,从共线性比对、合成基因的进化水平和同源性比对结果的分析,说明默诺霉素合成基因簇存在两种不同的进化来源与途径。其中5株链霉菌的合成基因簇位于染色体的两臂区,该区域常发生染色体插入或缺失的水平转移。通过对移动元件的基因岛序列的预测,发现默诺霉素合成基因簇是由20 kb大小的基因组岛实现了种间水平转移。基因组岛的插入是链霉菌获得新性状的重要途径,可以阐述基因簇在种间转移的途径和进化方向,以生物信息学基因组分析的角度为高产菌株的构建提供数据支持和改造。     

MicroRNA基因簇的多样性与进化

microRNA（miRNA）基因簇是一类miRNA基因在染色体上成簇排列形成的基因群.在动植物基因组中,已发现存在大量簇生排列的miRNA基因.然而这种簇生排列方式所具有的功能意义尚不完全清楚.miRNA基因簇常位于一个多顺反子内,通过共表达在胚胎发育、细胞周期和细胞分化等诸多方面发挥协同调控的功能.基于近些年来的研究进展,本文综述了miRNA基因簇在动物染色体上分布的多样性,表达与功能的协同性,以及重复和转座介导下miRNA基因簇产生与消亡的适应性进化过程.     

MiR-183基因簇对动物感觉器官功能和发育及肿瘤发生的调控

MicroRNAs (miRNAs) 是一类长度约为22 nt的内源性非编码小RNA. 它们在后生动物基因组中普遍存在,通过抑制靶基因mRNA的翻译或将其降解,在转录后水平调控基因的表达. 越来越多的证据表明,miRNAs在动物发育和人类疾病发生中发挥重要作用. miR-183基因簇在后口动物和原口动物中高度保守,编码miR-182、miR-96和miR-183. miR-183基因簇在动物感觉器官中特异性表达,对动物感觉器官的发育和功能至关重要. miR-183基因簇还与人类的肺癌、肝癌、乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤等多种癌症相关. miR-183基因簇在多种肿瘤细胞中异常表达,它们通过调控与肿瘤细胞分裂和死亡相关基因,而起到促进或抑制肿瘤发生的作用. 本文对miR-183基因簇miRNAs在动物感觉器官功能和发育及人类肿瘤发生中的作用进行论述.     

不同温度条件下鲁氏耶尔森氏菌的链特异性转录组分析

为鉴定鱼源鲁氏耶尔森氏菌(Yersinia ruckeri) SC09菌株水生环境中不同温度的转录组水平上的差异, 研究采用链特异性转录组测序(Strand-specific RNA-seq)技术对菌体生理温度(28℃)和实验培养温度(37℃)下进行链特异性测序, 原始数据质控后, 筛选得到差异表达基因, 通过KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库对差异表达基因进行富集分析, 并利用Rockhopper软件筛选出的重要原核生物基因簇进行验证。结果显示, 共筛选获得173个显著差异表达基因(P<0.05), 其中包括58个上调基因, 主要富集到一些特殊的碳水化合物代谢相关的通路中; 以及115个下调基因, 主要富集到双组份信号系统中与三羧酸循环相关的代谢通路上, 同时部分基因富集到编码鞭毛素相关的基因簇中。结果表明, 相对于37℃的实验室培养温度, 在水生环境的生理温度条件下(28℃) SC09菌株拥有较高的运动性和较强的葡萄糖代谢, 但相对的SC09菌株代谢一些特殊糖类的能力减弱。     

鸡mir-17-92基因簇的结构、功能及其调控

mir-17-92基因簇(mir-17-92 cluster)是脊椎动物的一个保守miRNA基因簇,在哺乳动物细胞增殖、分化、凋亡及发育等多种生物学过程中起重要的调控作用.同时,mir- 17-92基因簇又是一个癌基因,在多种肿瘤中表达.尽管对mir-17-92基因簇的研究非常广泛,但其作用机制还不完全清楚.鸡mir- 17-92基因簇的结构组成特点、功能及其作用机制尚未见研究报道.该文根据同一miRNA基因簇的miRNAs在功能上相关的特点,以鸡mir- 17-92基因簇序列为研究对象,采用生物信息学研究方法和手段,开展了鸡mir- 17-92基因簇的基因组结构、miRNAs序列组成、靶生物学过程和信号通路以及miRNAs结合位点分布特点等分析研究.结果发现,鸡mir- 17-92基因簇调控MAPK、Wnt和TGF-β等多个重要细胞信号通路;miRNA结合位点分布分析显示,该miRNA基因簇多个成员共同作用于同一个靶基因,提示该基因簇的miRNAs成员以组合和协同的方式调控靶基因.该研究为深入了解mir-17-92基因簇如何调控癌症和发育中的关键细胞过程奠定了基础.     

聚酮类化合物生物合成基因簇与药物筛选

由微生物和植物产生的聚酮类化合物的数量极其庞大,是一大类结构多样化和生物活性多样性的天然产物,已经成为新药的重要来源.介绍了3种类型聚酮类化合物生物合成基因簇的特点,即以模块形式存在的I型聚酮合酶,包含一套可重复使用结构域的Ⅱ型聚酮合酶以及不需要ACP参与,以植物中的查耳酮合酶为代表的Ⅲ型聚酮合酶.同时,还介绍了基于3种类型聚酮类化合物生物合成基因的特点,利用分子生物学方法构建筛选探针,进行当前药物基因筛选的进展.     

阿卡波糖的生物合成途径研究进展

阿卡波糖(Acarbose)作为第一个用于临床治疗Ⅱ型糖尿病的α-葡萄糖苷酶抑制剂类药物,自上市以来,由于其高效、安全而得到广泛应用.目前工业化生产所用的生产茵株都来自Actinoplanes sp.SE50/110,其合成途径随着acb基因簇的发现已经基本研究清楚.在另外一种阿卡波糖产生菌Streptomyces glaucescens GLA.O内,同样发现了与acb基因簇具有高度相似性的gac基因簇,其合成途径与acb基因簇遵循相同的路径,而又有显著的差别.就这两种合成途径以及阿卡波糖的产生、转运和代谢进行综述.