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.     

真菌聚酮合酶基因分离方法的研究进展

真菌聚酮合酶在代谢中可催化合成多种具有重要生物学活性的次级代谢物,所以真菌聚酮合酶正逐渐成为药学、食品科学和农学等领域的研究热点。本文综述了近五年来建立的几种分离真菌聚酮合酶基因的方法。这些方法解决了真菌中聚酮合酶基因簇难以分离的问题,为改造和利用真菌聚酮合酶以及发掘真菌聚酮化合物资源提供了强有力的手段。     

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。     

地衣型真菌皮革肾岛衣中1个Ⅲ型聚酮合酶基因的克隆与鉴定

该研究通过对皮革肾岛衣地衣型真菌转录组数据的分析,利用RT-PCR技术,首次克隆得到1个Ⅲ型聚酮合酶基因(NpPKS3),并分析该基因在不同培养基上的表达,以选择皮革肾岛衣地衣型真菌的最佳培养基,为研究NpPKS3基因功能奠定基础,并为异源表达皮革肾岛衣地衣型真菌的聚酮类化合物提供研究材料。结果表明:(1)NpPKS3基因(GenBank登录号MF351559)全长1 335bp,编码444个氨基酸,其产物为NpPKS3蛋白,在细胞质基质中发挥功能。(2)系统进化分析显示,NpPKS3基因编码的氨基酸序列与Ⅲ型聚酮合酶的csyB亚组聚为一支,推测该基因编码csyB类酶蛋白。(3)采用"一菌多产物"策略研究发现,NpPKS3基因在BMG培养基中表达能力最强,在BD培养基上表达能力最弱。     

异源生物合成聚酮化合物的研究进展

聚酮是一大类具有重要生物活性的天然产物,其生物合成途径复杂多样。利用异源宿主合成聚酮化合物要比使用天然生产菌有很多优点。异源宿主的选择是异源生物合成聚酮的关键。这种宿主必须能够大量表达大分子聚酮合成酶(300 kDa或更大)且能够大规模的转译后修饰这些蛋白;还要能够形成大量的像丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA等细胞内起始单元。随着各种技术的不断进步,异源宿主很可能成为大规模生产聚酮化合物的一个强有力平台。本文对聚酮合成酶,异源生产聚酮的优点、条件和应用都有所阐述。     

钙霉素聚酮链释放亚基蛋白性质优化及底物选择性

【目的】钙霉素合成酶亚基CalA3释放钙霉素合成过程中的聚酮链。获得生物化学性质稳定、蛋白结构性质均一的CalA3蛋白,可用于冷冻电镜(cryo-electron microscopy)结构解析,以帮助理解装配线型聚酮合酶亚基释放聚酮链的生物化学机理。探究CalA3对不同关键结构特征的聚酮链底物的选择性,可为制备CalA3与小分子化合物的复合物提供生化材料,同时也为进一步挖掘CalA3的成酰胺键的应用潜能提供借鉴。【方法】优化CalA3蛋白异源表达菌株的培养条件、CalA3蛋白纯化的生化条件,利用负染电镜观察蛋白形态,计算并分析蛋白质结构的性质;测定CalA3对不同结构的直链聚酮类似物的体外催化活性,利用色谱和质谱分析鉴定CalA3催化N-乙酰半胱氨酸-吡咯-2-丙酸(SNAC-C3)、N-乙酰半胱氨酸-戊酸(SNAC-C5)和月桂酰辅酶A等多种不同结构的直链聚酮底物类似物与3-羟基邻氨基苯甲酸(3-hydroxy anthranilic acid, 3HA)反应的产物。【结果】利用优化后的培养基PGTY,不仅实现了高纯度巨型聚酮合酶CalA3超量异源表达,同时,负染电镜观察、计算分析...     

真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展*

真菌芳香聚酮化合物是由真菌非还原聚酮合酶(NR-PKSs)催化形成的具有广泛生物活性的一类天然产物。大部分内源真菌菌株存在难培养、致病性或产率低等问题,从根本上限制了真菌芳香聚酮化合物的开发和应用。随着合成生物学和代谢工程的发展,很多具有生物活性的聚酮产物实现了在工业微生物(如酿酒酵母、构巢曲霉等)中的异源生产,相关研究逐渐成为热点。从合成途径解析与挖掘、底盘细胞的构建与改造等方面综述了近年来真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展,为未来真菌芳香聚酮化合物人工代谢途径的高效构建和实现工业化生产奠定基础。     

真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展*

真菌芳香聚酮化合物是由真菌非还原聚酮合酶(NR-PKSs)催化形成的具有广泛生物活性的一类天然产物。大部分内源真菌菌株存在难培养、致病性或产率低等问题,从根本上限制了真菌芳香聚酮化合物的开发和应用。随着合成生物学和代谢工程的发展,很多具有生物活性的聚酮产物实现了在工业微生物(如酿酒酵母、构巢曲霉等)中的异源生产,相关研究逐渐成为热点。从合成途径解析与挖掘、底盘细胞的构建与改造等方面综述了近年来真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展,为未来真菌芳香聚酮化合物人工代谢途径的高效构建和实现工业化生产奠定基础。     

一个源于皮革肾岛衣地衣型真菌中的HR-PKS基因克隆与鉴定

本研究通过对皮革肾岛衣(Nephrmopsis pallescens)地衣型真菌转录组数据的分析,首次克隆得到一种高度还原型聚酮合酶(Highly reducing PKS)基因全长,并对该基因进行生物信息学分析,并检测该基因在不同培养基上的表达量。该基因cDNA全长7 491 bp (命名为NpPKS1),可编码2 496个氨基酸,是一种稳定存在于细胞质基质中的非分泌蛋白;结构域与其他真菌的洛伐他汀九酮合成酶(LNKS)结构域极为相似,且聚类分析与其他真菌的洛伐他汀九酮合成酶(LNKS)聚为一类;在以葡萄糖和麦芽糖作为碳源的情况下,番茄浸粉、牛肉浸粉、酪蛋白胨等作为氮源可强烈刺激NpPKS1基因的表达,而胰蛋白胨对该基因的表达存在一定程度的抑制效应。本研究为皮革肾岛衣地衣型真菌中的基因资源利用、聚酮化合物异源表达和其合成机制的研究奠定了基础。     

苯二酚内酯合成途径中的聚酮合酶组合表达研究

由真菌聚酮合酶合成的苯二酚内酯类次生代谢产物结构和功能多样,在医药和农业上具有广泛的用途。苯二酚内酯由一对还原型聚酮合酶和非还原型聚酮合酶协同生物催化合成。还原型聚酮合酶和非还原型聚酮合酶由多功能结构域组成,每个结构域在生物合成的过程中程序化地执行特定的功能。通过交换不同真菌苯二酚内酯合成途径中非还原型聚酮合酶的起始物酰基转移酶结构域,在酿酒酵母中与相应的还原型聚酮合酶组合表达,合成了“非天然”的苯二酚内酯聚酮产物,并初步讨论了起始物酰基转移酶结构域的识别规律。     

Crystal structure of a bacterial type III polyketide synthase and enzymatic control of reactive polyketide intermediates

In bacteria, a structurally simple type III polyketide synthase (PKS) known as 1,3,6,8-tetrahydroxynaphthlene synthase (THNS) catalyzes the iterative condensation of five CoA-linked malonyl units to form a pentaketide intermediate. THNS subsequently catalyzes dual intramolecular Claisen and aldol condensations of this linear intermediate to produce the fused ring tetrahydroxynaphthalene (THN) skeleton. The type III PKS-catalyzed polyketide extension mechanism, utilizing a conserved Cys-His-Asn catalytic triad in an internal active site cavity, is fairly well understood. However, the mechanistic basis for the unusual production of THN and dual cyclization of its malonyl-primed pentaketide is obscure. Here we present the first bacterial type III PKS crystal structure, that of Streptomyces coelicolor THNS, and identify by mutagenesis, structural modeling, and chemical analysis the unexpected catalytic participation of an additional THNS-conserved cysteine residue in facilitating malonyl-primed polyketide extension beyond the triketide stage. The resulting new mechanistic model, involving the use of additional cysteines to alter and steer polyketide reactivity, may generally apply to other PKS reaction mechanisms, including those catalyzed by iterative type I and II PKS enzymes. Our crystal structure also reveals an unanticipated novel cavity extending into the "floor" of the traditional active site cavity, providing the first plausible structural and mechanistic explanation for yet another unusual THNS catalytic activity: its previously inexplicable extra polyketide extension step when primed with a long acyl starter. This tunnel allows for selective expansion of available active site cavity volume by sequestration of aliphatic starter-derived polyketide tails, and further suggests another distinct protection mechanism involving maintenance of a linear polyketide conformation.     

Genome mining reveals the evolutionary origin and biosynthetic potential of basidiomycete polyketide synthases

Numerous polyketides are known from bacteria, plants, and fungi. However, only a few have been isolated from basidiomycetes. Large scale genome sequencing projects now help anticipate the capacity of basidiomycetes to synthesize polyketides. In this study, we identified and annotated 111 type I and three type III polyketide synthase (PKS) genes from 35 sequenced basidiomycete genomes. Phylogenetic analysis of PKS genes suggests that all main types of fungal iterative PKS had already evolved before the Ascomycota and Basidiomycota diverged. A comparison of genomic and metabolomic data shows that the number of polyketide genes exceeds the number of known polyketide structures by far. Exploiting these results to design degenerate PCR primers, we amplified and cloned the complete sequence of armB, a PKS gene from the melleolide producer Armillaria mellea. We expect this study will serve as a guide for future genomic mining projects to discover structurally diverse mushroom-derived polyketides.     

利玛原甲藻中聚酮合酶基因克隆与分析

为探讨聚酮合酶 (polyketide synthase, PKS)基因与藻毒素合成的关系,揭示PKS基因在赤潮毒素合成中的作用,采用兼并引物,通过PCR技术获得利玛原甲藻(Prorocentrum lima)可能存在的I型PKS基因;并对所获得PKS基因的同源性进行了分析,构建了基于PKS氨基酸序列的系统进化树;采用RT-PCR技术分析了PKS基因在利玛原甲藻中的表达状况;并通过多聚腺苷酸RNA的扩增、细菌的分离鉴定、限制性内切酶酶切、Southern blotting等技术对PKS基因进行了分析.结果表明,利玛原甲藻中PKS基因与海洋原甲藻聚为一支,在利玛原甲藻中有显著表达;以Oligo(T)引物进行RT-PCR扩增时,可出现18S rRNA和PKS基因相应条带;限制性内切酶酶切和Southern blotting结果显示,该基因中存在明显的甲基化;16S rRNA基因序列分析显示,从利玛原甲藻培养液中分离到的细菌与海洋放线菌假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)基因序列同源性达到99%,该菌株中并不存在PKS基因.结果显示,所获得的PKS基因是利玛原甲藻聚酮合酶基因,基因序列已提交GenBank (EF521601);PKS可能在腹泻性贝毒合成中起着关键作用.     

Advances in cloning, functional analysis and heterologous expression of fungal polyketide synthase genes

Fungal polyketides comprise a diverse group of secondary metabolites that play an important role for drug discovery, as pigments, and as mycotoxins. Their biosynthesis is governed by multidomain enzymes, so-called fungal type I polyketide synthases (PKS). Investigating the molecular basis of polyketide biosynthesis in fungi is of great importance for ecological and pharmacological reasons. In addition, cloning, functional analysis and expression of fungal PKS genes also set the basis for engineering the yet largely untapped biosynthetic potential.     

Nonactin biosynthesis: the potential nonactin biosynthesis gene cluster contains type II polyketide synthase-like genes

Nonactin is the parent compound of a group of highly atypical polyketide metabolites produced by Streptomyces griseus subsp. griseus ETH A7796. In this paper we describe the isolation, sequencing, and analysis of 15? omitted?559 bp of chromosomal DNA, containing the potential nonactin biosynthesis gene cluster, from S. griseus subsp. griseus ETH A7796. Fourteen open reading frames were observed in the DNA sequence. Significantly, type II polyketide synthase (PKS) homologues were discovered in an apparent operon structure, which also contained the nonactate synthase gene (nonS), clustered with the tetranactin resistance gene. The deduced products of two of the genes (nonK and nonJ) are quite unusual ketoacyl synthase (KAS) alpha and KASbeta homologues. We speculate that nonactic acid, the polyketide precursor of nonactin, is synthesized by a type II PKS system.     

6-MSAS-like polyketide synthase genes occur in lichenized ascomycetes

Lichenized and non-lichenized filamentous ascomycetes produce a great variety of polyketide secondary metabolites. Some polyketide synthase (PKS) genes from non-lichenized fungi have been characterized, but the function of PKS genes from lichenized species remains unknown. Phylogenetic analysis of keto synthase (KS) domains allows prediction of the presence or absence of particular domains in the PKS gene. In the current study we screened genomic DNA from lichenized fungi for the presence of non-reducing and 6-methylsalicylic acid synthase (6-MSAS)-type PKS genes. We developed new degenerate primers in the acyl transferase (AT) region to amplify a PKS fragment spanning most of the KS region, the entire linker between KS and AT, and half of the AT region. Phylogenetic analysis shows that lichenized taxa possess PKS genes of the 6-MSAS-type. The extended alignment confirms overall phylogenetic relationships between fungal non-reducing, 6-MSAS-type and bacterial type I PKS genes.     

植物类型III聚酮合酶超家族晶体结构与功能

植物类型Ⅲ聚酮化合物合酶(PKS)催化合成多种植物次生代谢产物的基本分子骨架,参与植物体许多重要生物学功能的行使,一直是研究蛋白结构与功能关系、基于结构进行分子改造的重要模式分子家族。目前在蛋白质数据库(PDB)中有超过80个不同种属来源的类型Ⅲ PKS的三维结构被报道,其中包括了研究最为透彻的查尔酮合酶在内的7种酶的晶体结构,这些结构的发表对于阐明该类酶复杂多变的底物专一性、链延伸和不同的环化反应机制奠定了结构基础。三维空间结构解析以及基于定点突变的结构功能分析是进行酶工程、基因工程的基础。以下系统综述了植物类型Ⅲ PKS超家族晶体结构和功能的研究进展。