Identification of a terpene synthase arsenal using long-read sequencing and genome assembly of Aspergillus wentii
- 作者
- Richard Olumakaije, Christophe Corre, Fabrizio Alberti
- 杂志
- BMC Genomics（2024）
- DOI
- 10.1186/s12864-024-11064-w
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
补充 Aspergillus wentii CBS 141173 的基因组信息，以识别可能参与生物活性分子产生的萜类生物合成基因。
研究策略
采用 Oxford Nanopore 长读长测序进行基因组组装，结合7天和30天两个时间点的双端链特异性 RNA-seq 数据进行功能注释，运用 antiSMASH 和局部 BlastP 挖掘萜烯合酶基因簇。
核心内容
本研究利用Oxford Nanopore长读长测序对Aspergillus wentii CBS 141173进行了基因组组装，获得约31.2 Mb的基因组，包含7条染色体水平contig及1条推测为线粒体DNA的contig，N50达4.4 Mb，BUSCO完整性94.8%，并预测了12,925个基因。相较于先前短读长组装，antiSMASH预测的66个生物合成基因簇（含13个萜烯类）显著增多。结合7天与30天双端链特异性RNA-seq辅助注释及局部BlastP挖掘，鉴定出16个萜烯合酶（AwTS1-16），其中AwTS15和AwTS16与pimaradiene合酶pbcA同源性分别达75%和60%，其所在基因簇含细胞色素P450等修饰酶，可能参与pimarane型二萜生物合成。转录组分析显示仅4个萜烯合酶组成型表达，AwTS9在30天时表达显著上调。UHPLC-HRMS检测到asperolide A（C16H16O5，m/z 289.1072）。该高质量基因组资源及萜烯合酶目录为A. wentii萜类生物合成途径的异源表达与基因敲除解析奠定了基础。
创新点
首次报道 A. wentii CBS 141173 的长读长基因组组装；通过 RNA-seq 辅助注释提高了基因预测质量；从基因组中鉴定出 16 个萜烯合酶，并重点分析了两个可能参与 pimarane 型二萜生物合成的基因簇。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 萜类生物合成 | AwTS15 (AWENTII_006883) | Pimaradiene synthase homologue | 催化 | 与 A. nidulans pbcA 同源（61% identity/75% similarity），可能参与 pimarane 型二萜生物合成，基因簇含 HMG-CoA 还原酶、氧化还原酶和 P450 |
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 萜类生物合成 | AwTS16 (AWENTII_011959) | Pimaradiene synthase homologue | 催化 | 与 pbcA 同源（43% identity/60% similarity），基因簇含三个细胞色素 P450 和其他修饰酶，可能参与 pimarane 型二萜生物合成 |
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 甲羟戊酸途径/萜类生物合成 | AwTS3 (AWENTII_002622) | Lanosterol synthase Erg7A | 催化 | 与 A. fumigatus 羊毛甾醇合酶同源（89%/92%），在实验室条件下组成型表达 |
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 甲羟戊酸途径/萜类生物合成 | AwTS9 (AWENTII_010168) | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 与 Neurospora crassa GGPP 合酶同源（66%/82%），30天时表达显著上调，为二萜合成提供前体 |
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 甲羟戊酸途径/萜类生物合成 | AwTS10 (AWENTII_012038) | Farnesyl-diphosphate farnesyltransferase (Erg9) | 催化 | 与 A. fumigatus 角鲨烯合酶同源（79%/88%），组成型表达，参与三萜前体合成 |
| Aspergillus wentii CBS 141173 | 萜类生物合成 | AwTS1, AwTS2, AwTS4-8, AwTS11-14 | 多种萜烯合酶/环化酶 | 催化 | 包括鲨烯-藿烷环化酶、双环吉马烯合酶、法尼烯合酶等，多数在实验室条件下低表达或不表达 |
关键发现
- 组装获得约
- 2 Mb 的基因组，包含 8 个 contig（7 个为染色体水平，1 个推测为线粒体 DNA），GC 含量
- 2%，N50 为 4,417,627 bp，最长 contig 为 7,905,159 bp，平均基因长度 1,365 bp，预测基因 12,925 个，tRNA 187 个。antiSMASH 预测共鉴定 66 个 BGC（其中 PKS 16 个、NRPS 19 个、PKS+NRPS 8 个、萜烯类 13 个、RiPPs 5 个、铁载体 1 个、NRPS+萜烯 2 个、其他 2 个），显著多于先前短读长组装的 50 个。通过组合方法鉴定出 16 个萜烯合酶（AwTS1-16），其中 AwTS15 和 AwTS16 与 pimaradiene 合酶 pbcA 同源（相似性 75% 和 60%），其基因簇含有细胞色素 P450 等修饰酶，可能参与 pimarane 型二萜生物合成。转录组分析显示仅 AwTS3、AwTS5、AwTS9、AwTS10 在实验室条件下组成型表达，其中 AwTS9 在30天时表达显著上调。UHPLC-HRMS 检测到 asperolide A（m/z
- 1072，分子式 C16H16O5）。基因组 BUSCO 完整性
- 8%，蛋白 BUSCO 完整性
- 3%。
研究结论
本研究为 A. wentii CBS 141173 提供了高质量的长读长基因组组装和注释，确认了其产生 asperolide A 的能力，鉴定了 16 个萜烯合酶及两个可能的 pimarane 型二萜生物合成基因簇，为后续异源表达和基因敲除实验以解析萜类生物合成途径奠定了重要基础。