Genome-guided exploration of metabolic features of Streptomyces peucetius ATCC 27952: past, current, and prospect
- 作者
- Nguyen Huy Thuan, Dipesh Dhakal, Anaya Raj Pokhrel, Luan Luong Chu, Thi Thuy Van Pham, Anil Shrestha, Jae Kyung Sohng
- 单位
- Center for Molecular Biology, Institute of Research and Development, Duy Tan University, 03 Quang Trung Street, Da Nang City, Vietnam; Department of Life Science and Biochemical Engineering, Sun Moon University, 70 Sunmoon-ro 221, Tangjeong-myeon, Asan-si, Chungnam 31460, Republic of Korea; Department of BT-Convergent Pharmaceutical Engineering, Sun Moon University, 70 Sunmoon-ro 221, Tangjeongmyeon, Asan-si, Chungnam 31460, Republic of Korea
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2018）
- DOI
- 10.1007/s00253-018-8957-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析Streptomyces peucetius ATCC 27952的完整基因组，系统挖掘其次级代谢产物生物合成基因簇和生物催化酶资源，为菌株代谢工程改造和生物催化应用提供基因组学基础。
研究策略
采用全基因组测序与生物信息学分析，结合基因异源表达和生化表征，对基因组中的生物合成基因簇（BGCs）、细胞色素P450（CYP）、甲基转移酶（MT）、糖基转移酶（GT）及调控基因进行系统梳理和功能验证。
研究路线图
核心内容
对 Streptomyces peucetius ATCC 27952 进行了全基因组测序与系统生物信息学挖掘，获得大小为 8,023,114 bp、G+C 含量 70.6% 的完整基因组，预测编码 7187 个蛋白，并鉴定出约 68 个次级代谢生物合成基因簇（BGCs）及至少 23 个细胞色素 P450。通过基因异源表达和生化表征，验证了隐蔽 NRPS 铁载体 peucechelin 的生物合成，并系统解析了多种 CYP、甲基转移酶和糖基转移酶的底物谱。在菌株代谢工程改造中，过表达 afsR-p、metK1-sp、drrAB 等调控或抗性基因使柔红霉素（DXR）产量分别提高约 4 倍、2.1 倍和 9.4 倍，过表达 bldA-tRNA 使柔红霉素（DNR）产量提升 45.7%。此外，SpOMT2884 催化 7,8-二羟基黄酮甲基化生成 7-羟基-8-甲氧基黄酮，产量达 52.57 mg/L。该研究系统揭示了该菌株丰富的生物合成酶资源与调控网络，为通过基因组引导策略挖掘新型活性化合物、开发高效生物催化剂及理性改造菌株提升蒽环类抗生素产量奠定了重要基础。
创新点
首次系统总结了S. peucetius ATCC 27952的完整基因组信息（8,023,114 bp，编码7187个蛋白）；通过基因组挖掘预测约68个BGCs，并验证了隐蔽NRPS铁载体peucechelin等；综述了多种CYP、MT、GT的底物多样性和应用潜力，提出了基于基因组信息的菌株工程改造策略。
研究对象（29）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DXR/DNR生物合成 | doxA | DoxA | 催化 | 细胞色素P450，催化DNR 14-羟化等多步反应，经NADH→FDR2→FDX1→DoxA电子传递，活性提高2倍 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮羟化 | CYP105P2 | CYP105P2 | 催化 | 黄酮羟化酶，与camA/camB共表达，晶体结构2.1 Å |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 黄酮甲基化 | SpOMT2884 | SpOMT2884 | 催化 | O-甲基转移酶，对7,8-二羟基黄酮活性最高，产物7-羟基-8-甲氧基黄酮产量52.57 mg/L |
| Escherichia coli | 天然产物甲基化 | SpOMT7740 | SpOMT7740 | 催化 | 底物广泛，包括黄酮、蒽醌、蒽环和甾醇 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DXR/DNR生物合成 | dnrK | DnrK | 催化 | 4-O-甲基转移酶，甲基化卡米诺霉素、ε-紫红霉素酮等 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DXR/DNR糖基化 | dnrS/dnrQ | DnrS/DnrQ | 催化 | 糖基转移酶/辅助蛋白，负责ε-紫红霉素酮的糖基化 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | TDP-L-道诺糖胺合成 | rmbB | RmbB | 催化 | TDP-D-葡萄糖4,6-脱水酶，失活阻断DXR产生，互补恢复 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | TDP-L-鼠李糖合成 | rmbC | RmbC | 催化 | dTDP-4-酮-6-脱氧葡萄糖3,5-表异构酶，失活也阻断DXR产生 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 萜类生物合成（geosmin） | stperp13 | geosmin合酶 | 催化 | 过表达使geosmin产量提高2.4±0.4倍 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | hopanoid生物合成 | stperp25 | squalene-hopene环化酶 | 催化 | 催化鲨烯环化生成hopene |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 脂肪酸羟化 | CYP147F1 | CYP147F1 | 催化 | ω-脂肪酸羟化酶，对月桂酸亲合力最高 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 不饱和脂肪酸环氧化 | CYP107N3 | CYP107N3 | 催化 | 催化油酸C9-C10环氧化 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 香豆素脱烷基 | CYP107AJ1 | CYP107AJ1 | 催化 | H2O2介导的7-乙氧基香豆素脱烷基 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DXR/DNR生物合成调控 | afsR-p | AfsR-p | 调控 | SARP家族全局调控因子，过表达使DXR产量提高约4倍 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | SAM代谢 | metK1-sp, metK2-sp | MetK | 催化 | S-腺苷甲硫氨酸合成酶，过表达分别使DXR产量提高2.1倍和1.4倍 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DNR生物合成调控 | dnrO/dnrN/dnrI | DnrO/DnrN/DnrI | 调控 | 途径特异性转录调控级联：DnrO激活dnrN，DnrN激活dnrI，dnrI控制生物合成和抗性基因 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 蒽环类自抗性/外排 | drrA/drrB | DrrA/DrrB | 转运 | ABC转运体，外排DNR/DXR，过表达drrAB使DXR产量提高9.4倍 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 蒽环类自抗性 | drrC | DrrC | 转运 | DNA结合蛋白，移除插入DNA的DNR，参与自抗性 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 蒽环类自抗性 | drrD | DrrD | 催化 | FAD结合氧化还原酶/转移酶，drrD突变株部分丧失对DNR的抗性 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 辅酶A生物合成 | panK | PanK | 催化 | 泛酸激酶，催化CoA生物合成第一步 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 辅酶A生物合成 | coaE | CoaE | 催化 | 脱磷辅酶A激酶，过表达使DXR产量提高约2.1倍 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 活性氧清除 | sod | SOD | 催化 | 超氧化物歧化酶，影响次级代谢物产生 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 苯乙酸降解 | paaE | PaaE | 催化 | NADH氧化还原酶，参与苯乙酸降解 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 糖转运 | glcP | GlcP | 转运 | 非PTS葡萄糖通透酶，H+/同向转运，对D-葡萄糖特异 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 糖代谢 | glk（pp-glk） | 多聚磷酸葡萄糖激酶 | 催化 | 葡萄糖激酶，受100 mM葡萄糖诱导，在稳定期活性最高 |
| Escherichia coli | 聚酮化合物生物合成 | Sp-rppA | Sp-RppA | 催化 | III型PKS，1,3,6,8-四羟基萘合成酶，异源表达产生flaviolin |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | 铁载体生物合成 | NRPS基因簇 | NRPS酶系 | 催化 | 编码铁载体peucechelin的NRPS簇，产物为线性肽 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DNR生物合成调控 | bldA-tRNA | bldA-tRNA | 调控 | 异源表达S. coelicolor的bldA-tRNA，使DNR产量提高45.7%，并增强dnrO/dnrI表达 |
| Streptomyces peucetius ATCC 27952 | DXR生物合成调控 | doxR | DoxR | 调控 | IclR家族转录调控因子，过表达抑制生长和DXR产生 |
关键发现
- 基因组大小8,023,114 bp，G+C含量70.6%，约87%为蛋白编码区，包含7187个蛋白编码基因、18个rRNA、66个tRNAs和3个非编码RNA
- 预测约68个生物合成基因簇（包括PKS、NRPS、萜类等）
- 鉴定出至少23个细胞色素P450及其配套铁氧还蛋白和铁氧还蛋白还原酶。过表达afsR-p使DXR产量提高约4倍
- 过表达metK1-sp和metK2-sp分别使DXR产量提高2.1倍和1.4倍
- 过表达drrAB使DXR产量提高9.4倍
- 过表达coaE使DXR产量提高约2.1倍
- 异源表达bldA-tRNA使DNR产量提高45.7%。SpOMT2884催化7,8-二羟基黄酮生成7-羟基-8-甲氧基黄酮，产量达52.57 mg/L
- geosmin合酶过表达使产量提高2.4±0.4倍
- DoxA在最佳条件下活性提高2倍。
研究结论
S. peucetius ATCC 27952基因组蕴含着丰富的次级代谢产物生物合成基因簇和多功能生物催化酶资源。基因组引导的探索为深入理解其代谢调控网络、挖掘新颖活性化合物及开发高效生物催化剂提供了重要基础，为代谢工程和合成生物学改造该菌株指明了方向。