Global analysis of biosynthetic gene clusters reveals vast potential of secondary metabolite production in Penicillium species
- 作者
- Jens Christian Nielsen, Sietske Grijseels, Sylvain Prigent, Boyang Ji, Jacques Dainat, Kristian Fog Nielsen, Jens Christian Frisvad, Mhairi Workman, Jens Nielsen
- 杂志
- Nature Microbiology（2017）
- DOI
- 10.1038/nmicrobiol.2017.44
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
Penicillium属真菌的次级代谢产物生物合成潜力尚未被系统揭示，其基因组中大量生物合成基因簇未被注释和利用。
研究策略
对9个新测序和15个已发表的Penicillium基因组进行比较基因组分析，利用antiSMASH预测生物合成基因簇，基于KS和C结构域相似性将PKS/NRPS基因簇聚类为家族并映射到已知途径，结合文献和实验验证预测。
核心内容
该研究对24个青霉属基因组（含9个新测序）进行了系统比较分析，利用antiSMASH预测并聚类了1317个生物合成基因簇，平均每个物种约55个，其中P. polonicum最多达78个。基于KS和C结构域相似性，81%的KS域和77%的C域被归入基因簇家族，共识别出104个PKS和148个NRPS物种特有基因簇，并将80个PKS和51个NRPS基因簇映射到已知途径。研究发现所有物种共享3个核心基因簇，6-MSA合成酶存在于12个物种中，patulin和yanathone D基因簇分别预测在10个和7个物种中存在。实验验证了P. flavigenum产生yanathone D和E，P. rubens产生yanathone E，并意外发现一种含丙二酸羧酸单元的新yanathone衍生物，89/127的途径预测得到实验证实。这项工作首次揭示了青霉属巨大的次级代谢合成潜力，大量未表征基因簇为挖掘新型抗生素和药物分子提供了系统性框架。
创新点
首次对Penicillium属进行全属范围的次级代谢基因组分析；鉴定了1317个BGC并系统聚类；揭示了6-MSA途径进化轨迹；实验验证了xanthone（yanathone）在Penicillium中的产生并发现一个此前未描述的yanathone衍生物。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Penicillium 属（24种，包括 P. polonicum, P. rubens, P. expansum 等） | 次级代谢产物生物合成总体 | PKS, NRPS | 聚酮合酶，非核糖体肽合成酶 | 催化 | 核心骨架合成酶，负责聚合短链羧酸或氨基酸 |
| Penicillium expansum 等 | patulin 生物合成 | patH, patI, patJ 等 | PatH, PatI, PatJ | 催化 | patulin途径基因簇，含6-MSA合酶及多个修饰酶，部分物种存在基因缺失或重排 |
| Penicillium flavigenum, P. rubens 等 | yanathone D 生物合成 | yanE, yanF, yanC, yanB, yanG 等 | YanE, YanF, YanC, YanB, YanG | 催化 | yanathone途径，与A. niger参考基因簇同源，额外含有膜结合萜烯环化酶基因 |
| Penicillium 属 | 6-甲基水杨酸(6-MSA)代谢 | 6-MSA synthase | 6-MSA合酶 | 催化 | patulin和yanathone共有的核心合成步骤 |
| Penicillium 属 | xanthone (yanathone) 衍生代谢 | terpene cyclase | 膜结合萜烯环化酶 | 催化 | 可能修饰prenyl基团，产生新衍生物 |
| Penicillium 属 | fungisporin 生物合成 | fungisporin NRPS | fungisporin合成酶 | 催化 | 在所有Penicillium物种中均存在 |
关键发现
- 对24个Penicillium基因组（其中9个新测序）进行分析，基因组大小23.9-36.1 Mbp，基因数7,232-15,615。共鉴定1,317个生物合成基因簇（BGC），平均每个物种54.9个（中位数55），P. polonicum最多（78个）。PKS BGC共463个（平均17.2/物种），NRPS BGC共275个（平均11.3/物种），PKS-NRPS杂合BGC 140个（共195个杂合）。利用KS域74%、C域64%相似性阈值，81%的KS域和77%的C域归类到基因簇家族，104个PKS和148个NRPS BGC为物种特有。80个PKS BGC映射到21个已知途径，51个NRPS BGC映射到9个途径。所有24个基因组共有3个BGC（1个PKS，2个NRPS）。6-MSA合成酶存在于12/14个（clades 2-6）物种中，clade 1和7缺失。patulin BGC预测在10个物种中，yanathone D BGC预测在7个物种中（包括P. expansum）。实验验证：P. flavigenum产生yanathone D和E，P. rubens产生yanathone E
- 在P. flavigenum中发现一个新yanathone（含丙二酸羧酸单元）。89/127的途径预测得到验证。
研究结论
Penicillium属具有巨大的次级代谢产物合成潜力，大量基因簇功能未知，本研究提供的基因组和基因簇分析框架为发现新抗生素和其他药物奠定了基础。