链霉菌SH-62中肠菌素生物合成基因簇的克隆及异源表达

通过生物信息学分析,在链霉菌SH-62的基因组中发现一个Ⅱ型聚酮合酶基因簇(ents),与已报道的来源于Streptomyces maritimus的肠菌素生物合成基因簇具有高度的相似性。通过构建和筛选链霉菌SH-62的基因组细菌人工染色体(BAC)文库,克隆得到完整的ents基因簇。将ents基因簇导入白色链霉菌中进行异源表达,HPLC和LC-MS分析结果表明该基因簇负责肠菌素的生物合成,从而证实了ents基因簇的生物学功能。     

变铅青链霉菌高效异源表达宿主SBT5的构建

以变铅青链霉菌TK24为出发菌株,依次敲除钙依赖抗生素(CDA)、放线紫红素(ACT)和十一烷基灵菌红素(RED)这3个内源抗生素的生物合成基因簇,同时在钙依赖抗生素基因簇原位整合了来自棒状链霉菌的全局性调控基因afsRScla,构建得到变铅青链霉菌菌株SBT5。将来自天蓝色链霉菌的放线紫红素生物合成基因簇导入SBT5中,接合子产生大量蓝色的放线紫红素,而出发菌株TK24只产微量蓝色抗生素;SBT5接合子的ACT产量也显著高于导入了额外act基因簇拷贝的出发菌株接合子。SBT5菌株次级代谢背景清晰,不产色素类抗生素和抗细菌抗生素,可作为高效宿主用于次级代谢产物基因簇的异源表达和筛选。     

硫藤黄链霉菌基因组表达文库的构建及筛选

为了探讨硫藤黄链霉菌中可能存在的次级代谢产物合成及调控机制,以链霉菌整合型质粒pJTU2554为载体,构建了硫藤黄链霉菌的基因组表达文库。以模式菌株变铅青链霉菌为异源表达宿主,通过生物活性筛选获得9株具有抑菌活性的异源表达突变菌株,同时通过PCR筛选获得多个含有聚酮合酶和非核糖体多肽合成酶基因的克隆子。TLC及HPLC-MS分析发现6个携带有aureothin生物合成基因簇的cosmid,通过异源表达在变铅青链霉菌中成功合成聚酮类抗生素aureothin,证实文库异源表达及筛选的有效性。     

接合转移技术将外源DNA大片段引入变铅青链霉菌中的研究

为了发展一种将150 kb及以上的外源DNA片段引入变铅青链霉菌(Streptomyces lividans)中的有效方法,以大肠杆菌-变铅青链霉菌穿梭细菌人工染色体为载体,将携带完整格尔德霉素生物合成基因簇的3个150~180 kb的外源DNA片段期望以接合转移的方式从大肠杆菌宿主菌(Escherichia coli ET12567/p UZ8002)中横向转移入变铅青链霉菌(Streptomyces lividans)TK23菌株中。结果表明,接合转移技术能够有效地将携带完整格尔德霉素生物合成基因簇的3个外源DNA大片段引入到变铅青链霉菌基因组中并稳定传代。     

利用基因组发掘技术指导链霉菌SH-62中活性天然产物的分离及鉴定

通过生物信息学分析,利用基因组发掘技术发现链霉菌SH-62基因组中至少含有37个次级代谢产物的生物合成基因簇,除了有4个基因簇分别与已知的肠道菌素、潮霉素A、尼日利亚菌素和格尔德霉素的生物合成基因簇具有高度同源性以外,其他基因簇的功能鲜见报道。在不同发酵培养基上培养链霉菌SH-62,利用高分辨率的LC-MS对发酵产物进行分析,发现链霉菌SH-62确实能够产生肠道菌素、潮霉素A和尼日利亚菌素,从而证明了基因组发掘策略确实能够指导代谢产物的分离及鉴定。     

拟无枝酸菌宿主构建及次级代谢基因簇异源表达

为将生长快、发酵时间短、遗传操作便捷的稀有放线菌拟无枝酸菌TNS106开发成异源表达宿主,通过同源重组将内源的瑞斯托霉素生物合成关键基因rpsA替换为ΦC31和ΦBT1噬菌体细菌附着位点attB,清除代谢背景并引入整合位点,得到菌株HXR1;将含有来自天蓝色链霉菌的放线紫红素基因簇或来自刺糖多孢菌的多杀菌素基因簇的质粒转到HXR1进行异源表达,检测发酵产物。结果显示,HXR1成功表达放线紫红素和多杀菌素;与红色糖多孢菌宿主LJ161相比,放线紫红素的产生提前1 d,产量提高1.3倍。拟无枝酸菌异源表达宿主HXR1可为从链霉菌和稀有放线菌中发现新的次级代谢产物提供有用的平台。     

链霉菌GEMSM4(6)中聚酮合酶和非核糖体多肽合成酶基因的筛选及克隆

链霉菌GEMSM 4(6)的发酵产物具有抗革兰氏阳性菌和阴性菌的活性,同时还对酵母及丝状真菌尤其是植物病原菌,具有较强的抑制作用。本研究利用简并性引物对该链霉菌基因组中可能存在的聚酮合酶(PKS)和非核糖体多肽合成酶(NRPS)基因进行PCR扩增及序列分析,找到了3个NRPS及15个PKS基因的片段,其中PKS基因与Streptomyces violaceusniger Tu 4113的PKS基因序列同源性最高,达到91%~99%;而NRPS基因与数据库中已知的NRPS基因序列同源性仅为60%~62%。为克隆NRPS生物合成基因簇,构建了链霉菌GEMSM 4(6)的基因组细菌人工染色体(BAC)文库,通过PCR筛选得到包含有这3个NRPS基因的克隆子,为后期的异源表达及基因组发掘分析提供基础。     

基于序列宏基因组学技术的芳香聚酮抗生素的发现

[目的]本文旨在筛选土壤微生物来源的芳香聚酮抗生素。[方法]通过宏基因组学技术,利用基于酮基合成酶基因(KSα)保守序列设计的简并引物筛选土壤宏基因组文库,获得含有芳香聚酮生物合成基因簇的阳性克隆。对阳性克隆质粒测序并通过BLASTx同源比对分析其所包含的芳香聚酮生物合成基因簇。通过接合转移方法将基因簇整合进异源表达宿主白色链霉菌基因组中,培养发酵接合子,利用高效液相色谱技术确定克隆特异性产物并对发酵产物进行抑菌活性检测。[结果]从珠穆朗玛峰土壤宏基因组文库第493号混合文库中扩增得到了1个KSα片段ZF493,蛋白序列分析显示其与酮基合成酶同源,文库筛选得到了含有其对应芳香聚酮生物合成基因簇的阳性克隆cos493。对cos493的测序分析显示其插入片段大小为34 kb,包括酮基合成酶基因(KSα,orf 21)、链长因子基因(KSβ,orf 20)、酰基载体蛋白基因(ACP,orf 19)、环化酶基因(CYC,orf 17和orf 18)、糖基转移酶基因(orf 12)、单加氧酶基因(orf 16)等芳香聚酮合成相关基因。ORF 21与化合物calixanthomycin A聚酮合酶的KSα有67%的相似性,ORF 20与化合物griseorhodin A的KSβ有49%的相似性。通过接合转移使含芳香聚酮合酶基因簇的cos493整合进白色链霉菌宿主基因组中。高效液相色谱分析发酵粗提物发现了2个克隆特异化合物峰,紫外光谱分析显示化合物1在223、296和420 nm处有特征吸收峰,化合物2在214、261和447 nm处有特征吸收峰,特异峰具备芳香聚酮化合物的紫外吸收特征。对发酵粗提物的抑菌活性检测发现,其对金黄色葡萄球菌有抑制作用。[结论]本研究运用基于序列的宏基因组学技术,在链霉菌宿主中表达了来源于土壤微生物的芳香聚酮合酶基因簇并产生了具有抗菌活性的化合物。     

羊毛硫抗生素雷可肽同源基因簇的异源表达

高杰氏链霉菌中含有新型羊毛硫抗生素雷可肽(lexapeptide)的同源基因簇lxm2,为探索该基因簇相应的产物,将包含lxm2的细菌人工染色体转到变铅青链霉菌中进行异源表达,证实其可以产生雷可肽;同时还获得另一个新次级代谢产物,基因敲除实验表明此化合物的合成也与lxm2相关。通过色谱技术对新化合物进行分离纯化,结合核磁共振谱、高分辨质谱和二级质谱确定其结构为具有多重修饰的线性六肽,与雷可肽的N-端六氨基酸序列相同,命名为Lxm-N-六肽,该化合物没有检测到抗菌活性。     

井岗霉素在天蓝色链霉菌M145中的异源表达

井岗霉素对水稻纹枯病有良好的防治作用,在我国得到广泛使用。通过结合转移的方法把包含井岗霉素生物合成全基因簇的柯斯质粒9A2导入天蓝色链霉菌M145(Streotpmyces coelicolor M145)中,然后将含有导入质粒的菌株M145/9A2进行发酵,对发酵液进行生物测定的结果显示此菌株发酵液对指示菌水稻纹枯菌有抑制作用,进一步质谱检测结果表明,在天蓝色链霉菌中异源表达井岗霉素成功。     

灰红链霉菌AL7基因组文库及异源表达文库的构建

灰红链霉菌AL7对多种植物病原真菌和细菌都具有明显的抑菌活性。本研究在通用的大肠杆菌克隆宿主基础上,构建获得Dcm甲基化缺陷菌株,再引入接合转移辅助质粒pUZ8002得到菌株LP3。以LP3为宿主构建灰红链霉菌AL7的基因组粘粒文库,平均插入片段大小40kb。用高通量接合转移的方法将文库转到变铅青链霉菌TK24中,得到了异源表达文库,并从表达文库中初筛获得一些表型特异的克隆,如光秃表型、产素提前表型、产孢提前表型等。     

Construction of a Fosmid genomic library of Streptomyces roseoflavus Men-myco-93-63

To clone the antibiotic biosynthesis gene cluster of Streptomyces roseoflavus Men-myco-93-63, we constructed a Fosmid genomic library. The genomic DNA of the strain Men-myco-93-63 was isolated by the modified CTAB procedure, and the size of most genomic DNA fragments was larger than 150 kb. Then, a Fosmid genomic library containing more than 6000 clones was constructed. The average size of the inserted DNA in recombinant plasmids was 38.1 kb, and the probability of harboring any gene in the genome of the strain Men-myco-93-63 was 99.99%. The library coverage was at least a 10-fold genome equivalent. Therefore, the constructed Fosmid library meets the requirements as a standard genomic library     

刺糖多孢菌鼠李糖和福乐糖胺合成基因的克隆和组装

鼠李糖和福乐糖胺是多杀菌素生物合成必需的2个脱氧糖结构单元,负责其合成的4种酶的基因(gtt、epi、gdh、kre)与多杀菌素生物合成基因簇并不在一起,而是分散分布在染色体的3个位点上。为克隆到完整的多杀菌素生物合成基因簇,采用构建基因组文库、PCR扩增等手段从刺糖多孢菌NRRL18395染色体分别克隆gtt、epi、gdh和kre基因,并将其克隆组装在同一整合型载体上,以便于构建用于表达多杀菌素糖单元合成基因的表达载体。     

Cloning and heterologous expression of the epothilone gene cluster

The polyketide epothilone is a potential anticancer agent that stabilizes microtubules in a similar manner to Taxol. The gene cluster responsible for epothilone biosynthesis in the myxobacterium Sorangium cellulosum was cloned and completely sequenced. It encodes six multifunctional proteins composed of a loading module, one nonribosomal peptide synthetase module, eight polyketide synthase modules, and a P450 epoxidase that converts desoxyepothilone into epothilone. Concomitant expression of these genes in the actinomycete Streptomyces coelicolor produced epothilones A and B. Streptomyces coelicolor is more amenable to strain improvement and grows about 10-fold as rapidly as the natural producer, so this heterologous expression system portends a plentiful supply of this important agent.     

大肠杆菌乙酰-CoA羧化酶基因异源表达对变铅青链霉菌次级代谢的影响

克隆组装了大肠杆菌的乙酰-CoA羧化酶基因acc,以研究其异源表达对变铅青链霉菌中2种“沉默”抗生素放线紫红素和十一烷基灵菌红素合成的影响。大肠杆菌ACC由4个基因编码,通过PCR扩增4个基因,并通过重叠延伸PCR加上ermE启动子,构建得到4个重组基因;再将重组基因依次组装得到异源表达质粒pHLZ11,接合转移到变铅青链霉菌中进行异源表达。结果显示：含有异源表达质粒的变铅青链霉菌接合转移子能合成放线紫红素而十一烷基灵菌红素产量提高。表明大肠杆菌acc基因异源表达能够激活变铅青链霉菌沉默抗生素的合成,并提高已有抗生素产量。     

抗稻瘟病链霉菌JK-1基因组BAC文库构建

实验以抗稻瘟病链霉菌JK-1的基因组DNA为材料构建了其BAC（bacterial artificial chromosome）文库。该文库共有3456个克隆,插入片段在40-100kb,平均插入片段55kb,空载率低于5%,覆盖了链霉菌基因组约17.3倍。抗稻瘟病链霉菌JK-1基因组BAC文库的构建,为进一步研究基因组结构及其功能基因的利用等奠定了基础。     

Biosynthesis of the enediyne antitumor antibiotic C-1027

C-1027 is a potent antitumor agent with a previously undescribed molecular architecture and mode of action. Cloning and characterization of the 85-kilobase C-1027 biosynthesis gene cluster from Streptomyces globisporus revealed (i) an iterative type I polyketide synthase that is distinct from any bacterial polyketide synthases known to date, (ii) a general polyketide pathway for the biosynthesis of both the 9- and 10-membered enediyne antibiotics, and (iii) a convergent biosynthetic strategy for the C-1027 chromophore from four building blocks. Manipulation of genes governing C-1027 biosynthesis allowed us to produce an enediyne compound in a predicted manner.