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尿苷肽类抗生素生物合成研究进展
尿苷肽类抗生素是一类具有相同母核结构的化合物,其化学结构独特、作用机制新颖、抗菌谱窄,是寻找新型低毒、窄谱抗菌药物的先导化合物或候选药物的佳选择之一.本文介绍了尿苷肽类抗生素的化学结构特征以及构效关系,着重介绍了其生物合成机制的新研究进展.尿苷肽类抗生素肽链的合成由非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase,NRPS)以非线性机制催化完成,肽链的组装始于中心模块2,3-二氨基丁酸(2,3-diaminobutyric acid,DABA),其后的延伸包括N端氨基酸或二肽与DABA β-氨基间的缩合,以及C端的脲二肽与DABAα-氨基间的缩合.3'-脱氧-4',5'-烯酰胺尿苷由尿苷经过3步反应转化而来,并在NRPS的催化下与四肽或五肽缩合形成尿苷肽类抗生素.尿苷肽类抗生素生物合成机制的阐明为利用组合生物合成技术获得新结构的尿苷肽类化合物奠定了基础.
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卷曲霉素作用机制和耐药机制的功能基因组学研究进展
随着一线抗结核药物的长期和广泛使用,结核病耐药性亦不断增加,其中耐多药结核分枝杆菌和持留菌感染已经成为结核病有效防治的关卡.寻找新型抗结核药物迫在眉睫.卷曲霉素被认为是较理想的二线结核病治疗药物,也是开发新的肽类结核病药物的模板.本文综述了从功能基因组学角度研究卷曲霉素的生物合成基因簇、转录组水平的作用机制和细菌耐药新机制,为合理使用卷曲霉素和开发新一代肽类抗生素提供借鉴.
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微生物来源的免疫抑制剂生物合成基因簇的研究
微生物来源的免疫抑制剂因免疫抑制活性高,毒性及不良反应小而受到医药学研究及临床的日益关注.市场需求的增加带来了生产及临床上的诸多问题,对此类药物生物合成基因簇的研究是解决这些问题的创新性且具潜力的方法.本文综述目前临床用微生物来源的免疫抑制剂生物合成基凶簇的研究价值及意义、研究历史、常用研究方法及应用前景.
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微生物药物合成基因簇的进化与结构多样性
微生物产生的次级代谢产物为微生物药物的重要来源,大多由生物合成基因簇编码的酶蛋白催化合成.研究微生物药物生物合成基因簇的进化有助于了解微生物药物结构多样性的遗传基础以及其生理生态学意义,对新化合物挖掘和新药发现具有指导作用.本文以代表性的聚酮类化合物为切入点,以负责合成聚酮化合物骨架的聚酮合酶(PKS)为例,综述Ⅰ型PKS的进化起源,基因簇在不同微生物之间的传递及同一种微生物内部的基因簇进化机制.
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激活微生物沉默基因簇合成新型天然产物的研究
随着微生物基因组测序项目开展,越来越多的沉默基因簇被发现.采用激活微生物沉默基因簇的方法,可以充分发掘微生物次级代谢的潜力并可以获得大量新结构天然产物,为新药发现提供更多天然化合物来源.本文简要介绍激活沉默基因簇合成微生物次级代谢产物的方法.
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小链霉菌HCCB10043产脂肽类抗生素的鉴定及其生物合成基因簇研究
使用高效液相色谱法分离纯化了小链霉菌HCCB10043的重要代谢产物,获得3个精制品；经高分辨质谱、二级质谱与氨基酸分析鉴定其分别为A21978C1、C2和C3.菌株16S rDNA与已知的A21978C产生菌玫瑰孢链霉菌NRRL11379的同源性为99.2％,系统发育分析显示两者的亲缘关系很近；经基因钓取与沉默验证,结果显示该菌株的A21978C生物合成基因簇与玫瑰孢链霉菌报道完全相同.
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TAR克隆技术及其在微生物次级代谢产物研究中的应用
微生物次级代谢产物结构多样、种类丰富,是新药发现的重要来源.微生物次级代谢产物由特定生物合成基因簇编码合成,通常与微生物的生长繁殖无关.由于实验室可培养微生物的数量较少,而且多数可培养微生物存在基因簇沉默的现象,严重阻碍了微生物来源药物的研究和开发.微生物生物合成基因簇的异源表达及生物合成相应的次级代谢产物已逐渐成为发现新颖活性化合物的有效手段之一.作为研究微生物次级代谢产物的重要工具,基于TAR(transformation associated recombination)克隆技术的异源表达策略可实现绝大多数基因簇的完整异源表达.本文从TAR克隆技术的原理、应用和策略改进3个方面,总结了基于TAR克隆技术的微生物次级代谢产物异源生物合成的研究进展,为研究和开发新型微生物来源药物提供方法学借鉴.
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罗米地辛类抗癌药物的生物合成
罗米地辛(又称 FK228)是紫色色杆菌中非核糖体肽合酶(NRPS)和Ⅰ型聚酮合酶(PKS)催化合成的一种缩酚酸肽类天然产物,具有组蛋白脱乙酰基酶抑制剂活性,现被用于皮肤T细胞淋巴瘤和外周T细胞淋巴瘤的临床治疗.我们对已发现的罗米地辛类天然产物的化学结构,生物合成基因簇和生物合成途径的研究现状进行了总结,在此基础上初步探讨了通过基因组挖掘和组合生物合成等生物学手段获取新的罗米地辛类天然产物的可能性.
关键词： 罗米地辛 组蛋白脱乙酰基酶抑制剂 生物合成基因簇 基因组挖掘 组合生物合成 -
海洋放线菌S.erythraea SCSIO 07745中红霉素衍生物及其生物合成基因簇的分析
目的 对从中国南海沉积物样品中分离的放线菌Saccharopolyspora erythraea SCSIO 07745中抑菌活性次级代谢产物进行研究,并对相应产物的生物合成基因簇进行分析.方法 提取菌株SCSIO 07745基因组DNA,利用Illumina Hiseq和PacBio SMRT技术进行基因组测序;通过对16S rDNA序列进行分析构建系统发育进化树以鉴定菌种;以有机溶剂萃取得到发酵产物并利用正相、反相柱层析等色谱手段进行分离纯化;通过波谱数据分析对化合物进行结构鉴定.利用生物信息学技术对基因组进行注释并对合成该化合物的基因簇进行定位分析,推导其生物合成途径.结果 该放线菌被鉴定为糖多孢红霉菌Saccharopol yspora erythraea,从其发酵产物中分离鉴定了2个大环内酯类化合物sporeamicin A(1)和erythromycin A enol ether(2).全基因组序列测序发现该菌株基因组DNA为线状,含有31个次级代谢产物生物合成基因簇,其中基因簇3可能负责红霉素衍生物的生物合成,并对其生物合成途径进行了推导.结论 筛选得到了1株产生红霉素类化合物的海洋糖多孢红霉菌S.erythraea SCSIO 07745,为红霉素类抗生素的开发提供了新的菌株资源.同时,该菌株的全基因组序列为其蕴藏的次级代谢产物的挖掘奠定了基础.
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海洋放线菌Streptomyces costaricanus SCSIO ZS0073中fungichromin生物合成基因簇的分析鉴定
目的 对分离自中国广西红沙红树林湿地公园的放线菌菌株Streptomyces costaricanus SCSIO ZS0073进行基因组测序分析,并对其生产的制霉色基素(fungichromin)的生物合成基因簇进行分析鉴定.方法 对S.costaricanus SCSIO ZS0073菌株进行基因组总DNA提取,利用Highseq4000和PacBio SMRT技术相结合的手段对该菌株进行了基因组完成图测序;利用生物信息学方法对基因组进行注释并寻找fungichromin的生物合成基因簇,对fungichromin生物合成骨架基因fgmJ1进行置换突变,确定fungichromin生物合成基因簇,结合fungichromin结构特征和其基因簇内遗传信息及聚酮化合物的生物合成原理,对其生物合成途径进行推导.结果 全基因组测序发现S.costaricanus SCSIO ZS0073菌株基因组合有1条线性染色体和1个环形质粒,基因组合有36个次级代谢产物生物合成基因簇.利用基因敲除手段对fungichromin的生物合成基因簇进行了确认并进行了生物合成途径推导.结论 fungichromin生物合成基因簇的确定和生物合成途径的推导为该化合物的基因工程改造研究奠定了分子基础.
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1株海洋来源Streptomyces sp.SCSIO1682中那西肽(nosiheptide)的分离鉴定及其生物合成基因簇分析
目的 对1株海洋来源的菌株SCSIO1682进行16S rDNA分子生物学鉴定,对发酵产物中的抑菌活性化合物进行分离鉴定,并对抑菌活性化合物的生物合成基因簇进行分析.方法 通过构建基于16S rDNA序列的系统发育树来进行菌株鉴定;通过有机溶剂萃取、正相和反相硅胶层析等化学分离手段对菌株SCSIO1682的次级代谢产物进行活性追踪分离纯化;运用HR-ESI-MS,1 H和13 C NMR等波谱手段对所得化合物进行结构解析;通过对菌株SCSIO1682进行全基因组扫描测序鉴定所得化合物的生物合成基因簇.结果 该菌株被鉴定为链霉菌,命名为Streptomyces sp.SCSIO 1682,所得抑菌活性化合物为那西肽(nosihetide),鉴定了那西肽的生物合成基因簇并进行生物信息学分析.结论 从海洋链霉菌Streptomyces sp.SCSIO 1682中分离鉴定了那西肽,那西肽生物合成基因簇的鉴定为利用组合生物合成和合成生物学技术对那西肽进行结构改造提供了新的基因资源.
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海洋芽孢杆菌B-9987中macrolactin生物合成基因簇分析及反式酰基转移酶高表达
目的 对海洋芽孢杆菌B-9987中macrolactin生物合成基因簇及其关键基因进行分析、鉴定及功能研究.方法 通过生物信息学手段对基因簇的基因组成和功能结构域进行了分析;构建了用于酰基转移酶基因高表达的大肠杆菌—芽孢杆菌穿梭载体,采用电击转化方法导入B-9987之中进行高表达.结果 Macrolactins是由位于同1个操纵子的9个基因bmmA-I所编码的反式酰基转移酶聚酮合酶体系组装而成,反式酰基转移酶(trans-acyltransferase,trans-AT)BmmA的高表达使macrolactin A的产量提高了约0.6倍.结论 Macrolactin生物合成基因簇在具有生物防治活性的芽孢杆菌中普遍存在,且高度保守;反式酰基转移酶的高表达能够增加macrolactin A的产量.
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微生物次级代谢产物生物合成基因簇异源表达研究进展
微生物天然产物的异源表达在药物的发展过程中发挥着越来越大的作用.通过基因工程技术,将目的生物合成基因簇转移至不同的异源宿主中表达,不仅能够激活沉默的生物合成基因簇,而且可将异源表达体系作为一个非常有用的工具通过组合生物合成生产更多结构新颖、功能独特的化合物.本文结合当今该领域的新研究动态,概述了基因簇异源表达宿主的选择依据及生物合成基因簇在不同宿主表达的研究进展,以期为天然产物的研究提供一定的借鉴作用.
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匹马菌素的生物合成研究进展
匹马菌素是纳塔链霉菌产生的一种安全、高效的多烯大环类真菌抑制剂,广泛应用于医药领域与食品工业.作为26元环的糖基化多烯大环聚酮,其生物合成基因簇长度约110kb,包含19个基因,编码5个聚酮合酶、10个修饰和转运蛋白及4个调控因子.本文分析了匹马菌素生物合成的基因基础、多烯聚酮合成过程、氧化和糖基化修饰与调控机理等新研究进展,展望了利用组合生物合成进行基因簇改造的方案与应用前景.
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核苷类抗生素代谢工程的研究现状及展望
核苷类抗生素是一类生物活性多样,主要来源于微生物的重要次级代谢产物,应用潜力巨大.一些核苷类抗生素生物合成基因簇的相继克隆及其基因功能的深入研究从分子水平揭示出此类抗生素独特的生物合成途径与调节机制,为今后利用代谢工程手段实现核苷类抗生素的定向改造提供了丰富的研究材料与理论基础.
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土霉素生物合成研究进展
本文介绍了近年来土霉素的生物合成研究进展,包括基因簇结构、土霉素分子调控等,以及运用基因工程和组合生物合成原理创造新型土霉素结构类似物的前景.
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Actinoplanes sp.N902-109全基因组序列测定及分析
Actinoplanes sp.N902-109是继吸水链霉菌ATCC292953后分离的第二株能够产生雷帕霉素的放线菌.采用Roche 454GS FLX测序技术和Sanger法PCR测序技术,我们首次完成了Actinoplanes sp.N902-109全基因组序列测定.Actinoplanes sp.N902-109基因组为环状,长度为9228054bp,GC含量71.3％,编码8212个蛋白,其中5460个编码蛋白被注释有明确的生物学功能.应用AntiSMASH和NRPS predictor软件预测基因组中存在22个次级代谢生物合成基因簇,包含首次鉴定的完整的游动放线菌来源雷帕霉素生物合成基因簇.利用Mummer和Mauve软件对N902-109和已公布的游动放线菌属Actinoplanes SE50/1 1 0和Actinoplanesmissouriensis 431两株菌株全基因组进行比较分析.通过Actinoplanessp.N902-109基因注释和比较基因组学分析,在全基因组水平上了解Actinoplanes sp.N902-109的遗传物质基础,为开展Actinoplanessp.N902-109的代谢调控研究和遗传重组改造奠定基础.
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海洋青铜小单孢菌FIM 02-523全基因组测序及分析
青铜小单孢菌(Micromonospora chalcea,M.chalcea)FIM 02-523能够合成对乏氧肿瘤细胞、艰难梭菌等具有活性的环脂肽类化合物rakicidins.利用Illumina HiSeq高通量测序平台,本研究首次对M.chalcea FIM 02-523进行全基因组测序,得到总长约6.74Mb的序列信息.分析表明基因组GC含量为72.89％,包含了6167个蛋白编码序列.利用AntiSMASH预测基因组中存在19个生物合成基因簇.结合PKS/NRPS生物合成特征和rakicidins化学结构特点,定位到了rakicidins的生物合成基因簇,并初步推测其生物合成途径.研究为M.chalcea FIM 02-523的功能基因组学研究和代谢调控提供了理论基础.
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河南神仙洞放线菌资源勘探及抗菌活性筛选
目的 勘探河南神仙洞放线菌多样性,以期发现药用微生物资源,为新抗生素发现奠定基础.方法 采用10种分离培养基,以稀释涂布法分离放线菌;采用16S rRNA基因序列比对分析开展初步鉴别;经液体发酵,发酵液乙酸乙酯萃取,菌丝体丙酮浸提,获得提取浓缩物样品,采用纸片扩散法对样品进行抗菌活性筛选,活性菌株进行次级代谢产物生物合成基因NRPS,PKS Ⅰ和PKS Ⅱ的筛选.结果 从6份土壤样品中共纯化到179株放线菌;经16S rRNA基因序列比对分析,它们分布于11个科18个属,其中链霉菌属为优势菌属;菌株S6R2A4-9的16S rRNA基因序列与近有效菌株Flindersiella endophytica EUM 378T的相似率为93.58％,为潜在新属;发酵74株放线菌,其中52株在至少一个抗菌活性筛选中为阳性,总阳性率为70.27％.52株有活性的放线菌中,48株菌存在至少一个次级代谢产物生物合成基因簇,阳性率为92.3％,其中17株同时具有3种生物合成基因簇.结论 河南新密神仙洞土壤中存在较为丰富的药用放线菌资源,具有从中发现放线菌新物种及新抗生素的潜力.
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微生物次级代谢产物生物合成基因簇与药物创新
微生物产生众多结构和生物活性多样的次级代谢产物,其生物合成基因簇的克隆是药物创新和产量提高的必要前提.迄今为止已有超过150种生物合成基因簇通过各种方式被克隆,并被用于组合生物合成、体外糖类随机化、代谢工程的定向改造.我们研究室已经克隆并测定了氨基糖苷类井冈霉素/有效霉素、多烯类抗生素FR-008/克念菌素、聚醚类南昌霉素、聚酮类梅岭霉素、杂合聚酮-多肽类口恶唑霉素等生物合成基因簇.深入的基因功能分析揭示了他们独特的生物合成途径和调节机理,为正在进行的组合生物合成结构改造和代谢工程产量提高奠定了基础.
