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...     

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。     

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。     

真菌天然产物异源生产研究进展

真菌天然产物是天然药物的重要来源之一,大规模真菌基因组序列测序的完成表明真菌具有产生丰富的次级代谢产物的潜能。然而,许多真菌或生长缓慢,或不适宜在实验室条件下培养,或难以进行遗传操作,或化合物产量极低等,这些因素导致大量有价值的真菌天然产物无法获得。利用异源表达系统对真菌天然产物进行生产是发现新天然产物及解析其生物合成途径的有效手段,并为定向的以合成生物学的手段去合成重要活性分子奠定基础。本文对目前用于真菌天然产物生产的各种异源表达系统进行了综述,并结合最新的DNA组装技术展望了异源表达系统在真菌天然产物研究中的应用价值和前景。     

罗中链霉菌中衣霉素基因簇的克隆及异源表达

衣霉素属于核苷类抗生素,具有抑制蛋白质N-糖基化的活性,是潜在的药物先导化合物.罗中链霉菌(Streptomyces luozzhongensis)TRM49605是一株产衣霉素的链霉菌属(Streptomyces)的新物种.本研究旨在探索TRM49605中衣霉素生物合成基因簇的生物学功能,为新型药物开发提供理论依据....     

Red/ET同源重组技术及其在微生物基因组挖掘中的应用进展

Red/ET同源重组技术(Red/ET recombineering)是由来源于大肠杆菌λ噬菌体的蛋白对Redα/Redβ或来源于Rac原噬菌体的蛋白对Rec E/Rec T所介导的基于短同源臂(40–50 bp)的同源重组技术,能对宿主DNA序列进行快速、高效、精确的修饰和操作。本文主要综述了2010年以来Red/ET同源重组技术在大肠杆菌及其他细菌中的研究进展,同时简要介绍了该技术在微生物基因组挖掘,尤其是在微生物基因簇的异源表达领域的应用进展。     

Sterptomyces rochei4089的L基因阻断变株的构建及功能研究

运用同源重组技术破坏了一株格尔德霉素产生菌Sterptomyces rochei 4089的L基因,该基因编码氧化还原酶.以Sterptomyces rochei 4089基因组总DNA为模板,PCR扩增AHBA-KLM基因簇,采取Red/ET重组技术,构建L基因阻断质粒pKC1139-KLM-KmR.采用大肠杆菌与链霉菌的结合转移将阻断质粒含AHBA-KLM基因簇和Kan表达单元的3.0 kb线性片段转化Sterptomyces rochei 4089菌株,在卡纳霉素的平板上筛选卡纳霉素抗性转化子,经PCR检测分离到L基因阻断突变菌株.对原、变株的发酵液进行TLC和HPLC分析显示,Sterptomyces rochei 4089基因组中的L基因失活后,导致该菌株不能合成安莎类抗生素格尔德霉素.通过阻断L基因,为筛查这类放线菌产生安莎类抗生素提供了明确的组分指示作用.     

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。     

珠江口沉积物来源链霉菌SCSIO 40020中bafilomycins的鉴定及其生物合成基因簇的异源表达

【目的】从珠江口沉积物来源的菌株SCSIO40020中分离bafilomycins,并对其生物合成基因簇进行克隆和异源表达研究。【方法】通过分析菌株SCSIO 40020的16S rRNA基因序列并构建系统发育树以鉴定菌种,以柱层析法和制备色谱法对次级代谢产物进行分离纯化,借助波谱学手段完成单体化合物的结构鉴定,采用生物信息学分析定位bafilomycins的生物合成基因簇,通过筛选菌株SCSIO 40020基因组的细菌人工染色体文库和接合转移将bafilomycins生物合成基因簇导入3种链霉菌进行异源表达,利用高效液相色谱检测异源表达菌株的发酵产物。【结果】菌株SCSIO 40020被鉴定为链霉菌属菌株,从其发酵产物中分离鉴定了2个单体化合物bafilomycinsA1和D。克隆了链霉菌SCSIO40020中bafilomycins的生物合成基因簇并推导了其生物合成途径,在3种链霉菌中表达产生了bafilomycins。【结论】从珠江口环境中获得了一株产生bafilomycins的链霉菌SCSIO 40020,成功建立了该菌株次级代谢产物生物合成基因簇的异源表达体系,并首次在链霉菌...     

希瓦氏菌(Shewanella marinintestina MCCC 1A01703)二十碳五烯酸生物合成基因簇的钓取及鉴定

希瓦氏菌(Shewanella marinintestina MCCC 1A01703)是从海洋动物肠道分离得到的1株产二十碳五烯酸(Ecicosapentaenoic acid,EPA)的海洋细菌。利用PCR方法、Overlap PCR及Gibson Assemble技术克隆该菌中包含pfaA、pfaB、pfaC和pfaD的EPA生物合成基因簇,全长18.4 kb。序列分析表明所钓取的合成基因簇与来自希瓦氏菌SCRC-2738的EPA合成基因簇有88%的相似度,均编码聚酮合酶。以构建的低拷贝表达载体pACYC-Trc为骨架,通过Gibson Assemble技术构建EPA基因簇表达质粒pLYSCY03。钓取大肠埃希菌(Escherichia coli DH5α)细胞中的entD基因,克隆至表达载体pTrc99a中,构建成为重组质粒pLYSCY01。将两个表达质粒同时导入大肠埃希菌(Escherichia coli DH5α)中,获得产EPA的工程菌株。结果表明,希瓦氏菌中含有EPA聚酮生物合成基因簇,大肠埃希菌(Escherichia coli DH5α)中的entD基因可以替代pfaE基因与钓取的EPA合成基因协同合成EPA。     

A new method for rapid identification of ansamycin compounds by inactivating KLM gene clusters in potential ansamycin-producing actinomyces

Aims: In this study, we explored the possibility of construction of a ‘universal targeting vector’ by Red/ET recombination to inactivate L gene encoding 3‐amino‐5‐hydroxybenzoic acid (AHBA)‐oxidoreductase in AHBA biosynthetic gene cluster to facilitate the detection of ansamycins production in actinomycetes. Methods and Results: Based on the conserved regions of linked AHBA synthase (K), oxidoreductase (L) and phosphatase (M) gene clusters, degenerate primers were designed and PCR was performed to detect KLM gene clusters within 33 AHBA synthase gene‐positive actinomycetes strains. Among them, 22 KLM gene cluster‐positive strains were identified. A ‘universal targeting vector’ was further constructed using the 50‐nt homologous sequences chosen from four strains internal L gene in KLM gene clusters through Red/ET recombination. The L gene from nine of the KLM gene cluster‐positive actinomycetes strains was inactivated by insertion of a kanamycin (Km) resistance marker into its internal region from the ‘universal targeting vector’. By comparison of the metabolites produced in parent strains with those in L gene‐inactivated mutants, we demonstrated the possible ansamycins production produced by these strains. One strain (4089) was proved to be a geldanamycin producer. Three strains (3‐20, 7‐32 and 8‐32) were identified as potential triene‐ansamycins producers. Another strain (3‐27) was possible to be a streptovaricin C producer. Strains 24‐100 and 4‐124 might be served as ansamitocin‐like producers. Conclusions: The results confirmed the feasibility that a ‘universal targeting vector’ could be constructed through Red/ET recombination using the conserved regions of KLM gene clusters to detect ansamycins production in actinomycetes. Significance and Impact of the Study: The ‘universal targeting vector’ provides a rapid approach in certain degree to detect the potential ansamycin producers from the 22 KLM gene cluster‐positive actinomycetes strains.     

Characterization of the tunicamycin gene cluster unveiling unique steps involved in its biosynthesis

Tunicamycin, a potent reversible translocase I inhibitor, is produced by several Actinomycetes species. The tunicamycin structure is highly unusual, and contains an 11-carbon dialdose sugar and an α, β-1″,11′-glycosidic linkage. Here we report the identification of a gene cluster essential for tunicamycin biosynthesis by high-throughput heterologous expression (HHE) strategy combined with a bioassay. Introduction of the genes into heterologous non-producing Streptomyces hosts results in production of tunicamycin by these strains, demonstrating the role of the genes for the biosynthesis of tunicamycins. Gene disruption experiments coupled with bioinformatic analysis revealed that the tunicamycin gene cluster is minimally composed of 12 genes (tunA– tunL). Amongst these is a putative radical SAM enzyme (Tun B) with a potentially unique role in biosynthetic carbon-carbon bond formation. Hence, a seven-step novel pathway is proposed for tunicamycin biosynthesis. Moreover, two gene clusters for the potential biosynthesis of tunicamycin-like antibiotics were also identified in Streptomyces clavuligerus ATCC 27064 and Actinosynnema mirums DSM 43827. These data provide clarification of the novel mechanisms for tunicamycin biosynthesis, and for the generation of new-designer tunicamycin analogs with selective/enhanced bioactivity via combinatorial biosynthesis strategies.     

基于基因组编辑技术的大片段克隆新策略

基因组大片段克隆技术是合成生物学研究领域关键的使能技术。传统的大片段克隆技术获取目的大片段的手段存在各种缺陷,比如随机建库克隆需要依靠高通量筛选;PCR难以扩增10 kb以上片段,从小片段拼装费时费力且突变率高;基于限制性酶切连接难以找到片段两端适宜的限制性内切酶酶切位点。最近全基因组合成等前沿研究创造了全新的高性能大片段克隆方法,比如CRISPR/cas9系统中cas9可识别并切割20 bp核酸序列解决了识别位点设计难题,可用来获取任意目的基因片段;组合Gibson或者酵母偶联重组技术组装技术,可高效克隆大片段基因。本文将分类介绍基因组大片段克隆技术,并提出适用不同尺度大小基因克隆的技术选择参考标准。     

基于CRISPR/Cas系统的天然产物生物合成基因簇克隆和编辑技术

合成生物学和基因组测序技术的快速发展使挖掘和高效合成天然产物进入了一个全新的时代。由于多数原始菌株生长缓慢、难以培养及遗传改造困难等问题,导致天然产物生物合成基因簇的激活和高效表达受到严重制约。基于此,将原始菌株来源的基因簇转移到操作简便、遗传背景清晰的模式宿主中进行异源表达成为天然产物发现和产量提高的一种有效手段。其中,基因簇的克隆与编辑是实现天然产物异源表达的一个主要限速步骤。CRISPR/Cas技术的应用极大地提高了大型基因簇克隆和编辑的效率,有效促进了微生物来源新药的发现。本文针对基于CRISPR/Cas开发的基因簇克隆和编辑技术进行了系统梳理和全面总结,探讨相关技术在天然产物挖掘和高效合成中的应用及其重要意义。     

多烯大环内酯类抗生素生物合成基因簇中调控因子的研究进展

多烯大环内酯类抗生素具有良好的抗真菌活性,广泛应用于医疗卫生、食品加工和农业生产领域。随着高通量测序技术和生物信息学技术的发展,越来越多的链霉菌抗生素生物合成基因簇被发现和鉴定,调控因子作为生物合成基因簇中的重要组成部分,在庞大复杂的调控网络中起着至关重要的作用。本文总结了链霉菌中重要的调控因子类型,综述了多烯大环内酯类抗生素生物合成基因簇中调控因子的生物学功能、结合位点、作用机制等研究进展,并展望了后续研究工作。