Complete genome sequence of the deep South China Sea-derived Streptomyces niveus SCSIO 3406, the producer of cytotoxic and antibacterial marfuraquinocins
- 作者
- Qinghua Zhu, Weige Cheng, Yongxiang Song, Qing He, Jianhua Ju, Qinglian Li
- 单位
- College of Life Science, Dezhou University; CAS Key Laboratory of Tropical Marine BioResources and Ecology, Guangdong Key Laboratory of Marine Materia Medica, RNAM Center for Marine Microbiology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- PLoS ONE（2021）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0248404
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析深海来源的 Streptomyces niveus SCSIO 3406 的完整基因组，揭示其产生细胞毒活性与抗菌活性化合物 marfuraquinocins A-D 及 phenaziterpenes A-B 的遗传基础和生物合成基因簇。
研究策略
采用 PacBio RSII 与 Illumina HiSeq 2500 结合进行全基因组测序，SOAPdenovo 与 Celera Assembler 组装，Glimmer 预测基因，antiSMASH 预测次级代谢基因簇，并通过生物信息学分析鉴定关键生物合成基因。
核心内容
本研究对深海来源的链霉菌Streptomyces niveus SCSIO 3406进行了完整基因组测序与解析，该菌株可产生具有细胞毒和抗菌活性的marfuraquinocins A-D及phenaziterpenes A-B。采用PacBio RSII与Illumina HiSeq 2500相结合的测序策略，经组装获得大小为7,990,492 bp的基因组，G+C含量为70.46%，编码7088个蛋白编码基因、6个rRNA操纵子和65个tRNA基因。通过antiSMASH预测到27个次级代谢基因簇，其中发现一个28,787 bp的基因簇同时负责marfuraquinocins和phenaziterpenes的生物合成，包含24个开放阅读框，编码1,3,6,8-四羟基萘合酶/单加氧酶、7个吩嗪生物合成蛋白、2个异戊烯基转移酶及1个角鲨烯-藿烯环化酶等关键酶。基因组中还鉴定到7个MEP途径基因和6个牻牛儿基二磷酸/法尼基二磷酸合酶基因，提示萜类前体供应可能较为充足。CRISPR分析发现22个候选位点、含168个间隔序列。该基因组信息为理解聚酮-萜类杂合天然产物的生物合成机制提供了遗传基础，也表明该菌株具备挖掘新型天然产物的潜力。
创新点
首次报道 S. niveus SCSIO 3406 的完整基因组序列；发现一个 28.7 kb 的基因簇同时参与 marfuraquinocins 和 phenaziterpenes 的生物合成；揭示了 MEP 途径基因及多个异戊烯基转移酶基因的分散分布特征。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 聚酮-萜类杂合生物合成 | orf01170 | III型聚酮合酶 | 催化 | 负责1,3,6,8-四羟基萘(THN)骨架的合成 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 聚酮-萜类杂合生物合成 | orf01166 | 1,3,6,8-四羟基萘单加氧酶 | 催化 | 修饰THN生成marfuraquinocins所需萘醌结构 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 聚酮-萜类杂合生物合成 | orf01154, orf01164 | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化萜烯部分与THN/吩嗪部分的缩合反应 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 萜类生物合成 | orf01153 | 角鲨烯-藿烯环化酶 | 催化 | 催化倍半萜环化形成marfuraquinocins母核 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 吩嗪生物合成 | orf01155-01158, orf01161-01163 | 吩嗪生物合成蛋白 (PhzE/D/C/A/B/G/S) | 催化 | 参与吩嗪环的组装与修饰，其中phzF同源基因位于基因簇外 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | MEP途径（类异戊二烯前体合成） | orf00197, orf01743, orf03854, orf04260, orf03855, orf04113, orf04123 | MEP途径酶类（DXP合酶、DXP还原异构酶等） | 催化 | 负责合成IPP和DMAPP，为萜烯部分提供前体 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 萜类前体合成 | orf00192, orf00915, orf01258, orf02165, orf04121, orf06133 | 牻牛儿基二磷酸合酶/法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成GPP/FPP |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 萜类前体异构化 | orf00932 | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 抗生素抗性 | orf04161 | 青霉素酰胺酶 | 催化 | 水解青霉素赋予菌株青霉素抗性 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 抗生素抗性 | orf00505 | 红霉素酯酶 | 催化 | 水解14元大环内酯类抗生素 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | 抗生素抗性 | orf02495 | 维吉尼亚霉素B裂解酶 | 催化 | 使链阳性菌素B类抗生素失活 |
| Streptomyces niveus SCSIO 3406 | CRISPR-Cas免疫系统 | orf03151, orf05316, orf06507-06514 | CRISPR相关蛋白 (Cas) | 催化 | 构成适应性免疫系统，切割外源核酸 |
关键发现
- 基因组大小为 7,990,492 bp，G+C 含量
- 46%，共编码 7088 个蛋白编码基因、6 个 rRNA 操纵子和 65 个 tRNA 基因，测序覆盖度
- 5×。包含一个 28,787 bp 的基因簇，编码 24 个开放阅读框，其中包括 1,3,6,8-四羟基萘合酶/单加氧酶、7 个吩嗪生物合成蛋白、2 个异戊烯基转移酶和 1 个角鲨烯-藿烯环化酶。基因组中鉴定到 7 个 MEP 途径基因和 6 个牻牛儿基二磷酸/法尼基二磷酸合酶基因。antiSMASH 预测了 27 个次级代谢基因簇，其中 T1pks-寡糖基因簇与格兰卡霉素基因簇相似度为 32%，ectoine 基因簇相似度为 75%。CRISPR 分析发现 22 个候选 CRISPR 位点（6 个确认、16 个可疑），包含 168 个间隔序列。
研究结论
S. niveus SCSIO 3406 的完整基因组序列为理解 marfuraquinocins 和 phenaziterpenes 的生物合成机制提供了遗传基础，并揭示了该菌株具有产生多种新型天然产物的潜力，为后续基因组挖掘和工业菌株改造奠定了基础。