Exploring cyanobacterial genomes for natural product biosynthesis pathways
- 作者
- Melinda L. Micallef, Paul M. D'Agostino, Bakir Al-Sinawi, Brett A. Neilan, Michelle C. Moffitt
- 单位
- School of Science and Health, University of Western Sydney; School of Biotechnology and Biomolecular Sciences, University of New South Wales
- 杂志
- Marine Genomics（2014）
- DOI
- 10.1016/j.margen.2014.11.009
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻基因组中天然产物生物合成基因簇的系统鉴定与功能表征，特别是孤儿基因簇（产物未知的基因簇）的预测和解析。
研究策略
综述蓝藻基因组测序现状，总结各类天然产物（非核糖体肽、聚酮、核糖体肽、UV吸收化合物、生物碱、萜烯、脂肪酸等）的生物合成基因簇分布；介绍antiSMASH、ClusterFinder等生物信息学工具，以及质谱引导的肽基因组学（RiPPquest/NRPquest）和异源表达策略在孤儿基因簇功能鉴定中的应用。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了截至2014年蓝藻基因组中天然产物生物合成基因簇的分布与挖掘进展。作者总结了208个公开蓝藻基因组的数据，基因组大小从1.19至12.07 Mb不等，并统计了微囊藻毒素、柱孢藻毒素、类菌孢素氨基酸及蓝细菌素等各类基因簇的分布频率，例如131个基因组中115个含有细菌素基因簇，129个基因组中127个含萜烯合成基因。针对大量产物未知的孤儿基因簇，文章比较了antiSMASH和ClusterFinder等预测工具在蓝藻中的适用局限性，并提出将质谱引导的肽基因组学与异源表达相结合的功能验证策略。代表性成功案例包括26 kb的barbamide基因簇在变铅青链霉菌中的表达，以及11.3 kb的lyngbyatoxin基因簇在大肠杆菌中成功产生目标化合物。该综述表明，蓝藻基因组测序规模扩大极大促进了天然产物途径的发现，但现有预测工具准确度有限，未来需扩展基因组多样性覆盖并提升异源表达效率，以充分释放蓝藻作为天然产物来源的潜力。
创新点
系统比较了多种基因组挖掘工具对蓝藻的适用性；提出结合质谱引导和异源表达来攻克蓝藻基因簇复杂性导致的预测难题；强调了CyanoGEBA等测序项目对扩大蓝藻基因组多样性的贡献。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces venezuelae DHS2001 | 非核糖体肽/聚酮-巴酰胺 | barA-barK（26 kb barbamide基因簇） | NRPS/PKS | 催化 | 异源表达产生4-O-demethylbarbamide，而非barbamide本身 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 核糖体肽-帕特拉米德 | patellamide基因簇（12.5 kb） | PatE等前体肽加工酶 | 催化 | 成功产生patellamide A和C |
| Escherichia coli | 萜烯-土臭素 | NPUNMOD（土臭素合酶全长基因） | 土臭素合酶 | 催化 | 产生geosmin、germacradienol、germacrene D、octalin和(E)-nerolidol |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 烷烃生物合成 | FAAR/ADO途径基因 | 脂肪酸酰基-ACP还原酶/醛脱甲酰加氧酶 | 催化 | 该途径在120/135个公开蓝藻基因组中存在，是主要的烷烃合成途径 |
| Microcystis aeruginosa | 微囊藻毒素生物合成 | mcy基因簇（编码2个PKS、3个NRPS和1个杂合NRPS/PKS） | NRPS/PKS | 催化 | mcy基因簇已在19个公开基因组中鉴定（包括9个Microcystis，8个Planktothrix，Anabaena sp. 90和Fischerella sp. PCC 9339） |
| Nostoc punctiforme ATCC 29133 | 类菌孢素氨基酸（MAA）-异菌孢素 | mys基因簇（含ATP-Grasp连接酶或NRPS样酶） | ATP-Grasp连接酶 | 催化 | mys基因簇在14个公开基因组中存在，与scytonemin簇共同存在于Cyanothece sp. PCC 7424和Nodularia spumigena CCY9414 |
| 蓝藻（多种属） | 核糖体肽-蓝细菌素 | cyanobactin基因簇（含前体肽、两个蛋白酶基因、两个短假设蛋白） | 蛋白酶（如PatA/PatG家族） | 催化 | 在142株蓝藻中筛查，32个基因组含有cyanobactin簇 |
| Microcystis aeruginosa | microginin生物合成 | microginin基因簇（23 kb，含3个NRPS/PKS/杂合基因和1个ABC转运蛋白基因） | ABC转运蛋白 | 转运 | 该基因簇已在5个蓝藻基因组中发现（3个Microcystis，2个Planktothrix） |
关键发现
- 截至2014年6月，已有208个蓝藻基因组公开，基因组大小范围1.19-12.07 Mb（最小为Melainabacteria，最大为Scytomena hofmanni PCC 7110，编码12,356个基因）
- 微囊藻毒素（mcy）基因簇存在于19个公开基因组中
- cylindrospermopsin基因簇见于3个基因组
- scytonemin基因簇（6 kb）见于6个基因组
- MAA（mys）基因簇见于14个基因组
- 131个分析基因组中115个含细菌素基因簇
- 142个菌株中32个含cyanobactin基因簇
- 129个基因组中127个含萜烯生物合成基因
- 135个菌株中120个含FAAR/ADO烷烃合成基因，181个基因组中163个含FAAR/ADO（其中138个成簇）
- OLS烯烃合成途径见于15个基因组。异源表达方面，4-O-demethylbarbamide（26 kb barbamide簇）在Streptomyces venezuelae DHS2001中成功表达
- lyngbyatoxin（11.3 kb itx簇）在E. coli GB2005-MtaA中产生lyngbyatoxin和indolactam-V
- patellamide A和C（12.5 kb簇）在E. coli BL21(DE3)中表达
- trunkamide（11 kb tru簇）在E. coli中表达。
研究结论
蓝藻基因组测序数量大幅增加，使多种天然产物生物合成基因簇得以鉴定，但孤儿基因簇数量庞大。现有生物信息学工具在蓝藻中预测效果受限，需结合质谱引导的肽基因组学和异源表达进行功能验证。未来应扩大蓝藻基因组覆盖并提高基因簇异源表达效率，以加速天然产物发现。