链霉菌次生代谢中双因子调控系统的研究进展

链霉菌次生代谢产物的生物合成受到严格和复杂的调控,而双因子调控系统是其中重要的一类调控因子,在链霉菌中广泛存在,且存在作用方式的多样性和作用机制的复杂性。就近些年研究较多的参与链霉菌次生代谢的两类双因子调控系统(真核型和原核型)的研究状况做了综述,重点阐明其作用机制,并对其研究趋势以及在药物代谢工程中的应用前景进行了展望。     

海洋沉积物来源链霉菌属次生代谢产物及其生物活性研究进展

海洋沉积物是营养较为丰富的微生物栖息地,近年来从海洋沉积物中分离培养出了大量海洋链霉菌,从中还发现了一些新的属种。人们已从海洋沉积物来源链霉菌属中发现了许多具有药用价值的活性化合物,有力推动了海洋天然产物化学的发展,并为新药研发提供基础。本文就海洋沉积物来源链霉菌属次生代谢产物的结构类型及其生物活性进行简要综述。     

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。     

一株大象粪便链霉菌的次生代谢产物研究

采用正相硅胶柱色谱、反相硅胶柱色谱、凝胶柱色谱等方法对来自大象粪便的链霉菌YIM801的发酵产物进行分离,共获得11个化合物,依据理化性质及波谱数据分析,分别鉴定为环(苯丙氨酸-缬氨酸)(1)、环(亮氨酸-缬氨酸)(2)、N-乙酰色胺(3)、N-乙酰酪胺(4)、5'-O-乙酰胸苷(5)、2'-脱氧尿苷(6)、2-吡咯甲酸(7)、2,5-二羟基苯甲醇(8)、2,5-二羟基苯甲醇甲醚(9)、2-甲氧基对苯二酚(10)和间羟基苯甲醇(11)。所有化合物均为首次从大象粪便来源的链霉菌中分离得到。     

一株分离自运城盐湖土壤沉积物的链霉菌(Streptomyces sp.)YH02全基因组测序和比较基因组特征

【目的】链霉菌(Streptomyces sp.) YH02是从山西运城盐湖土壤沉积物中分离的一株革兰氏阳性放线菌。解析菌株YH02的全基因组序列信息,探究其在种属进化关系中的位置,深入挖掘其次级代谢产物基因资源。【方法】利用Illumina和Pac Bio平台相结合的测序技术对菌株YH02进行全基因组测序,并进行基因预测、功能注释、次级代谢产物合成基因簇预测、比较基因组学分析以及形态和生理生化测定。【结果】菌株YH02基因组为一条线性染色体,全长8 285 116 bp,G+C含量为71.77%,编码7 237个开放阅读框;在GO、COG、KEGG、CAZy数据库中分别注释到2 829、5 478、4 805、279个基因;蛋白亚细胞定位分析预测到多种分泌系统相关蛋白和1 030个转运蛋白;同时预测到菌株YH02中存在32个次级代谢产物合成基因簇,涉及萜烯类、非核糖体肽类、聚酮类、核糖体合成和翻译后修饰肽类等多种天然产物的合成。比较基因组学分析揭示了15 739个泛基因组直系同源基因簇和4 267个核心基因组直系同源基因簇。基于16S r RNA基因序列的系统发育树分析显示,菌株YH02与委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae) ATCC10712、沙阿霉素链霉菌(Streptomyceszaomyceticus)NBC00278亲缘关系较近,但平均核苷酸一致性(averagenucleotideidentity, ANI)分析小于95.00%,数字DNA-DNA杂交(digitalDNA-DNAhybridization,d DDH)值小于70.00%。形态学和生理生化特性分析表明,菌株YH02在ISP 2培养基上的气生菌丝体呈现浅粉色,其对p H值、氯化钠耐受量和生长温度的耐受性与近缘菌株存在差异,且在淀粉水解能力上表现出较弱的活性,同时具有明胶液化、硝酸盐还原阳性、牛奶凝固缓慢的特性。【结论】基于基因组学和生理生化特性的分析结果,菌株YH02被确认为链霉菌属潜在新种。本研究不仅丰富了微生物物种资源库,而且为探索具有独特作用机制的天然产物提供了理论基础和潜在的遗传资源。     

桑氏链霉菌KJ40全基因组测序及分析

【背景】桑氏链霉菌(Streptomyces sampsonii)KJ40是一株具有防病、促生多重功能的放线菌,有作为生物农药的潜力。目前还没有相关研究报道S.sampsonii全基因组序列,这限制了其功能基因、代谢产物合成途径及比较基因组学等研究。【目的】解析S.sampsonii KJ40的基因组序列信息,以深入研究该菌株防病促生机制及挖掘次级代谢产物基因资源。【方法】利用Illumina HiSeq高通量测序平台对KJ40菌株进行全基因组测序,使用相关软件对测序数据进行基因组组装、基因预测和功能注释、预测次级代谢产物合成基因簇、共线性分析等。【结果】基因组最后得到9个Scaffolds和578个Contigs,总长度为7 261 502 bp,G+C%含量平均为73.41%,预测到6 605个基因、1 260个串联重复序列、804个小卫星序列、67个微卫星序列、90个tRNA、9个rRNA和19个sRNA。其中,2 429、3 765、2 890、6 063和1 911个基因分别能够在COG、GO、KEGG、NR和Swiss-Prot数据库提取到注释信息。同时,还预测得到21个次级代谢产物合成基因簇。基因组测序数据提交至NCBI获得Gen Bank登录号:LORI00000000。S.sampsonii KJ40与Streptomyces coelicolor A3(2)、Streptomyces griseus subsp.griseus NBRC 13350三株链霉菌基因组存在翻转、易位等基因组重排,3个基因组共有1 711个蛋白聚类簇。【结论】研究为从基因组层面上解析KJ40菌株具有良好促生防病效果的内在原因提供基础数据,为深入了解链霉菌次级代谢合成途径提供参考信息,对S.sampsonii后续相关研究具有重要意义。     

海洋链霉菌次级代谢产物研究进展

链霉菌作为最高等的放线菌,广泛分布于多种生态环境中,具有复杂而独特的形态分化周期和强大的次级代谢能力。链霉菌的次级代谢产物具有抗感染、抗肿瘤、抗炎抗氧化、免疫调节等生物活性,是天然活性产物的主要来源之一。近年来随着对海洋资源的开发,许多新型的海洋链霉菌及其丰富的次级代谢产物被发现。从海洋链霉菌的生物活性物质、育种和发酵培养3个方面综述了海洋链霉菌次级代谢产物的研究进展,以期为缩短海洋链霉菌的发酵周期,提高次级代谢产物产量活性以及开发新型的海洋药物等提供参考和借鉴。     

群感效应与链霉菌次生代谢调控

群感效应是细菌协调群体行为的一种外界信号传递机制,在细菌中普遍存在,参与细胞的多种生理过程。链霉菌中也存在群感效应,在抗生素等次生代谢产物的生物合成中起重要的调控作用;从自诱导信号分子的结构到信号传递机制都存在一定多样性,其中以A-因子为代表的γ-丁酸内酯类信号分子的作用机制研究最为深入。近几年在链霉菌中发现的PI-因子、M-因子以及一些特定的代谢产物则代表几类结构较新颖的信号分子,通过群感效应机制调控次生代谢过程;链霉菌中还发现胆固醇氧化酶、甘油等分子具有信号分子特征,不排除是通过群感效应来参与抗生素生物合成调控。本文主要就参与链霉菌次生代谢调控的几类群感效应系统的研究状况进行综述,重点阐述各类群感信号分子的结构和信号传递机制的不同,并对链霉菌群感效应的研究趋势以及在抗生素高产菌遗传育种中的应用前景进行了展望。     

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。     

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。     

放线菌次生代谢产物合成基因组研究

简述放线菌全基因组研究概况,次生代谢产物合成基因组研究涉及的问题;重点介绍聚酮类化合物合成基因组的结构和功能;如何利用基因组筛选程序,筛选具有生物活性次生代谢产物合成基因簇的产生菌,作为新药发现的一种手段。     

Expression and Characterization of the Streptomyces coelicolor Serine/Threonine Protein Kinase PkaD

We identified and characterized the gene encoding a new eukaryotic-type protein kinase from Streptomyces coelicolor A3(2) M145. PkaD, consisting of 598 amino acid residues, contained the catalytic domain of eukaryotic protein kinases in the N-terminal region. A hydrophobicity plot indicated the presence of a putative transmembrane spanning sequence downstream of the catalytic domain, suggesting that PkaD is a transmembrane protein kinase. The recombinant PkaD was found to be phosphorylated at the threonine and tyrosine residues. In S. coelicolor A3(2), pkaD was transcribed as a monocistronic mRNA, and it was expressed constitutively throughout the life cycle. Disruption of chromosomal pkaD resulted in a significant loss of actinorhodin production. This result implies the involvement of pkaD in the regulation of secondary metabolism.     

sanC--a novel gene involved in nikkomycin biosynthesis in Streptomyces ansochromogenes

AIMS: To investigate the genes involved in the nikkomycin biosynthesis and their molecular mechanism. METHODS AND RESULTS: A 0.9 kbp SmaI fragment was cloned and sequenced which contains a complete open reading frame designated sanC (GenBank accession no. AF228522). In search of database, the deduced product of sanC was not homologous with any known proteins. The disruption and complementation of sanC showed that sanC is essential for nikkomycin biosynthesis in Streptomyces ansochromogenes. CONCLUSIONS, SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY: sanC is a novel and essential gene involved in nikkomycin biosynthesis in S. ansochromogenes.     

Intracellular ATP Levels Affect Secondary Metabolite Production in Streptomyces spp.

The addition of extracellular ATP (exATP) to four Streptomyces strains had similar effects: low exATP levels stimulated antibiotic production and high levels reduced it. Compared with antibiotic production, the concentrations of intracellular ATP (inATP) in the tested strains were opposite, which suggests a role of inATP in regulating secondary metabolite production. Under inactivation of the polyphosphate kinase gene (ppk) in Streptomyces lividans, we observed the same results: when the inATP level in the mutant strain was lower than in the parent strain, more antibiotic was produced. Combining all the results, a strong inverse relationship between [inATP] and the secondary metabolite production is suggested by this study.     

LmbJ and LmbIH protein levels correlate with lincomycin production in Streptomyces lincolnensis

AIMS: To demonstrate the expression of two overlapping genes lmbJ and lmbIH in Streptomyces lincolnensis and to document LmbJ and LmbIH protein levels during the lincomycin production phase. To analyse presumable function of the LmbIH protein. METHODS AND RESULTS: Lincomycin production was monitored by thin-layer chromatography, proteins LmbJ and LmbIH were assayed in the cell-free extracts of S. lincolnensis by immunodetection. LmbJ occurred at stable level (2-4 mg x g(-1) of total proteins) for a long time period (36-96 h of cultivation) covering the whole production phase. This fairly corresponds to the catalytic function of the protein in the antibiotic biosynthesis (N-demethyllincomycin methyltransferase). On the contrary, LmbIH reached the detectable level (0.1 and 0.7 mg x g(-1)) just for a short period at 60-72 h. CONCLUSIONS: The absence of LmbIH protein at a detectable level during the major part of the antibiotic production phase casts doubt on its possible catalytic function. Rather a different connection with the final biosynthetic steps, e.g. regulatory, can be envisaged. SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY: Expression of a newly found putative regulatory gene was demonstrated during production of industrial antibiotic, lincomycin.     

An inducible Streptomyces gene cluster involved in aromatic compound metabolism

Streptomyces setonii (ATCC 39116) is a thermophilic soil actinomycete capable of degrading single aromatic compounds including phenol and benzoate via the ortho-cleavage pathway. Previously, a 6.3-kb S. setonii DNA fragment containing a thermophilic catechol 1,2-dioxygenase (C12O) gene was isolated and functionally overexpressed in Escherichia coli (An et al., FEMS Microbiol. Lett. 195 (2001) 17-22). Here the 6.3-kb S. setonii DNA fragment was shown to be organized into two putative divergently transcribed gene clusters with six complete and one incomplete open reading frames (ORFs). The first cluster with three ORFs showed homologies to previously known benA, benB, and benC, implying it is a part of the benzoate catabolic operon. The second cluster revealed an ortho-cleavage catechol catabolic operon with three translationally coupled ORFs (in order): catR, a putative LysR-type regulatory gene; catB, a muconate cycloisomerase gene; catA, a C12O gene. Each of these individually cloned ORFs was expressed in E. coli and identified as a distinct protein. The expression of the cloned S. setonii catechol operon was induced in Streptomyces lividans by specific single aromatic compounds including catechol, phenol, and 4-chlorophenol. A similar induction pattern was also observed using a luciferase gene-fused reporter system.     

植物萜类次生代谢及其调控

植物次生代谢在植物生长发育、环境适应、抵御病虫害等方面发挥着重要作用,这些天然产物组成地球上最丰富的有机化合物的宝库．萜类是植物代谢产物中种类最多的一类,具有重要的生理和生态功能,一些成分还有应用价值．近十几年来,人们在萜类化合物的分离、鉴定、应用、生物合成、相关基因与基因族、酶蛋白结构和功能、代谢调控以及代谢工程等各方面取得了重大进展．本文概述了植物萜类化合物代谢及其调控领域的研究进展与发展趋势．     

Cloning and characterization of a gene cluster from Streptomyces cyanogenus S136 probably involved in landomycin biosynthesis

From a cosmid library of Streptomyces cyanogenus S136, DNA fragments encompassing approximately 35 kb of the presumed landomycin biosynthetic gene cluster were identified and sequenced, revealing 32 open reading frames most of which could be assigned through data base comparison.     

一株Streptosporangium sp.的次生代谢产物的研究

通过对Streptosporangium sp.菌株发酵液的初步分离纯化,得到二个化合物,由波谱数据解析鉴定其结构分别为YXJE1(1),7,4′-二羟基黄酮(2)。其中化合物1是新化合物。活性实验证明化合物1,2具有一定的抑制乙酰胆碱酯酶活性。