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1、微生物次级代谢产物生物合成基因簇与药物创新【关键词】,微生物次级代谢产物；,,生物合成基因簇；,,药物创新；,,组合生物合成；,,代谢工程 摘要：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FR008/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
2、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。 关键词：微生物次级代谢产物；生物合成基因簇；药物创新；组合生物合成；代谢工程 Secondarymetabolicpathsproducemyriadsofsecondarymetabolitesprovementbymetabolicengineering.Todate,morethan150biosyntheticgeneclustershadbeenclonedviadifferentstrategies,anipulatedthroughbinatorialbio
3、synthesis,invitroglycorandomization,orotherbiotechnologicalmethods.Inourlaboratory,severalbiosyntheticgeneclustershavebeenclonedandsequenced,representativesofinoglycosidejinggangmycin/validamycin,polyeneantibioticFR008/candicidin,polyethernanchangmycin,polyketidemEilingmycin,PKSNRPS
4、oxazomycinandothers.Extensiveanalysesofgenefunctions,thEIruniquebiosyntheticpathechanismshavenoorerationalstructuralmodificationsthroughbinatorialbiosynthesisandyieldimprovementsusingmetabolicengineering. KEYicrobialsecondarymetabolites;Biosyntheticgenecluster;Neetabolicengineering
5、)［2］成为解决上述问题的重要手段，但是次级代谢产物生物合成基因(簇)的克隆与功能鉴定是这两项技术实施的必要前提。 1微生物次级代谢产物生物合成基因簇特点及总体研究进展 1.1微生物次级代谢产物生物合成基因簇的组成特点自从Malpartida等1984年克隆了放线紫红素的全部生物合成基因［3］，以及随后克隆的榴菌素［4］、红霉素［5，6］、泰乐星等生物合成基因，揭示了微生物次级代谢产物生物合成基因成簇排列的特征，即与特定产物合成相关的结构基因、调节基因、耐药性基因和转运蛋白等集中位于染色体的一段连续区域。除此之外，微生物次级代谢产物生物合成基因簇还具有以下
6、几个特点：①生物合成基因一般形成几个不同的转录单位；②通常含有一个以上的耐药性基因，且耐药性基因和结构基因表达之间有一定的相互调节；③绝大多数基因表达的调控发生在转录水平，除了受特异的途径专一性调节因子调控外，还受到同时影响胞内其他产物合成甚至细胞分化的全局性调节因子的调控［7］。微生物次级代谢产物生物合成基因的成簇排列特征为相应生物合成基因的克隆提供了方便，也就是说，几乎任何一个结构基因、耐药性基因、转运蛋白基因或途径专一性调节基因的克隆都有可能导致整个生物合成基因簇的获得。 1.2微生物次级代谢产物生物合成基因簇的克隆情况根据微生物次级代谢产物生物合成基
7、因簇的上述特点，大量的生物合成基因簇从不同的微生物种群中克隆出来，其中主要的克隆方法有突变株回补(如放线紫红素［3］)、利用同源性较高的异源DNA作为探针的杂交法(如榴菌素［4］)、耐药性基因的克隆(如红霉素［5］)、从蛋白质分离到反推编码DNA的反向遗传(如利福霉素［8］)、根据同源蛋白保守区设计的兼并性引物扩增法(如阿卡波糖［9］)以及整个生物合成基因簇的异源表达(如肠球菌素［10］)等。通过上述克隆方法，迄今为止已经克隆了超过150种微生物次级代谢产物的生物合成基因簇，一方面进一步证明了微生物次级代谢产物成簇排列的特点，另一方面也揭示了结构上不同的代谢产
8、物在编码基因上的相关性，例如β内酰胺类
