Terpene synthases are widely distributed in bacteria
- 作者
- Yuuki Yamada, Tomohisa Kuzuyama, Mamoru Komatsu, Kazuo Shin-ya, Satoshi Omura, David E. Cane, Haruo Ikeda
- 单位
- Laboratory of Microbial Engineering, Kitasato Institute for Life Sciences, Kitasato University; Biotechnology Research Center, University of Tokyo; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology; Laboratory of Microbial Engineering, Kitasato Institute for Life Sciences, Kitasato University; Department of Chemistry, Brown University
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2015）
- DOI
- 10.1073/pnas.1422108112
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
细菌萜烯合酶与真菌/植物萜烯合酶序列相似性极低，传统序列比对方法难以发现和注释细菌萜烯合酶，导致细菌萜类生物合成潜力被严重低估。
研究策略
利用基于隐马尔可夫模型（HMM）的Pfam搜索，以140个已知细菌萜烯合酶为训练集构建第三代HMM模型，对8759463个细菌预测蛋白进行筛选；并通过工程化链霉菌异源表达系统对候选基因进行功能验证。
核心内容
本研究针对细菌萜烯合酶因与真菌、植物同源序列相似性过低而难以被传统方法注释的问题，以140个已知细菌萜烯合酶为训练集构建第三代隐马尔可夫模型，对超过875万个细菌预测蛋白进行筛选，将推定萜烯合酶数量从140个扩展至262个，E值最低达6.9×10⁻²⁰⁷。进一步利用去除内源萜烯合酶基因的工程化Streptomyces avermitilis SUKA22作为异源表达平台，对候选基因进行功能验证，成功鉴定出大量单萜、倍半萜和二萜产物，其中包括13个先前未知的环状萜烯，如clavuliatienes A/B、prenyl-β-elemene和tsukubadiene等。结果表明细菌中广泛分布着编码萜烯合酶的基因，是发掘新天然产物的丰富来源，而工程化链霉菌异源表达系统为解析这些酶的功能提供了高效工具。
创新点
开发了第三代HMM模型，将细菌萜烯合酶预测数量从140个扩展到262个；建立了去除内源萜烯合酶基因的工程化Streptomyces avermitilis SUKA22异源表达平台，可高效表达细菌萜烯合酶并产生足量代谢物用于结构鉴定；发现了13个全新结构的环状倍半萜和二萜化合物。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p0765 | SCLAV_p0765 | 催化 | 来自S. clavuligerus，异源表达产生hydroprerinol、hydropyrene和isoiselisabethatiene B |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p1169 | SCLAV_p1169 | 催化 | 来自S. clavuligerus，产生clavuliatienes A/B、prenyl-β-elemene、prenylgermacrene B和lobophytumin C |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p1407 | SCLAV_p1407 | 催化 | 来自S. clavuligerus，产生线性triquinane倍半萜 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | slt18_1880 | SLT18_1880 | 催化 | 来自S. lactacystinaeus，产生线性triquinane倍半萜异构体 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | slt18_1078 | SLT18_1078 | 催化 | 来自S. lactacystinaeus，催化GGPP环化生成cyclooctat-7(8),10(14)-diene |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | stsu_20912 | STSU_20912 | 催化 | 产生tsukubadiene |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | nd90_0354 | ND90_0354 | 催化 | 产生oxidverdiens A和B |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p0982 | SCLAV_p0982 | 催化 | 来自S. clavuligerus，催化GPP环化生成1,8-cineole、β-pinene和camphene |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sgr_6065 | SGR_6065 | 催化 | 来自S. griseus，epi-cubenol synthase，异源表达也产生α-muurolone和cadinadienes |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p0068 | SCLAV_p0068 | 催化 | 来自S. clavuligerus，(+)-T-muurolol synthase |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | sclav_p0067 | SCLAV_p0067 | 催化 | 细胞色素P450，与sclav_p0068共表达产生(-)-drimenol |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | alr4685 | Alr4685 | 催化 | 来自Nostoc sp. PCC 7120，倍半萜合酶 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类生物合成 | npun_R3832 | Npun_R3832 | 催化 | 来自Nostoc punctiforme PCC 73102，倍半萜合酶 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类前体供给 | gps | GPP合酶 | 催化 | 香叶基二磷酸合酶，用于增强单萜/二萜前体供给 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类前体供给 | fps | FPP合酶 | 催化 | 法尼基二磷酸合酶，用于增强倍半萜前体供给 |
| Streptomyces avermitilis SUKA22 | 萜类前体供给 | ggps | GGPP合酶 | 催化 | 香叶基香叶基二磷酸合酶，用于增强二萜前体供给 |
关键发现
- 从8759463个细菌蛋白中鉴定出262个推定萜烯合酶，E值范围为5.3×10^-7至6.9×10^-207
- 多数链霉菌产生土臭素，少数产生其他倍半萜醇
- 异源表达鉴定出大量单萜、倍半萜和二萜，包括13个先前未知的环状萜烯（2个倍半萜和11个二萜），如hydroprerinol、hydropyrene、isoiselisabethatiene B、clavuliatienes A/B、prenyl-β-elemene、prenylgermacrene B、cyclooctat-7(8),10(14)-diene、tsukubadiene、oxidverdiens A/B等。
研究结论
细菌中广泛分布着编码萜烯合酶的基因，这些基因是发现新天然产物的丰富来源；工程化链霉菌异源表达系统是解析细菌萜烯合酶功能的有效平台。