Exploiting the genome sequence of Streptomyces nodosus for enhanced antibiotic production
- 作者
- Paul Sweeney, Cormac D. Murphy, Patrick Caffrey
- 单位
- University College Dublin, Ireland
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-7060-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
对两性霉素B产生菌Streptomyces nodosus进行基因组测序和挖掘，鉴定影响两性霉素产量的基因，并通过代谢工程提高两性霉素及其类似物产量，同时激活沉默的天然产物基因簇。
研究策略
利用全基因组测序和antiSMASH分析鉴定生物合成基因簇；构建表达质粒过表达酰基CoA羧化酶、磷酸泛酰巯基乙胺转移酶、转录激活因子AmphRIV及甲基丙二酰CoA差向异构酶等基因；通过引入LuxR调控基因或脂肽合成基因激活skyllamycin类似物生物合成。
核心内容
该研究对两性霉素B产生菌Streptomyces nodosus进行了全基因组测序与挖掘，以期通过代谢工程提高目标抗生素产量并激活沉默基因簇。利用高通量测序获得大小为7,714,110 bp的基因组序列，结合antiSMASH分析共鉴定出24个天然产物生物合成基因簇。在此基础上，通过构建表达质粒过表达酰基CoA羧化酶、丙酰CoA羧化酶、甲基丙二酰CoA差向异构酶、磷酸泛酰巯基乙胺转移酶及转录激活因子AmphRIV等基因，考察对两性霉素产量的影响。结果显示，过表达amphRIV使ΔamphNM菌株两性霉素产量提高4倍，而过表达前体供给相关基因无显著效果。此外，通过在ΔamphI菌株中引入LuxR调控基因或脂肽合成基因，成功激活了原本沉默的skyllamycin类似物合成基因簇，获得一种羟基化skyllamycin A新化合物，其[M+Na]+为1521.4。该研究提供了S. nodosus参考基因组，证明AmphRIV是提高两性霉素产量的有效靶点，为高产菌株改造奠定了基础，同时展示了基因组挖掘在发现新天然产物方面的潜力。
创新点
首次完成S. nodosus全基因组测序；发现24个生物合成基因簇；激活了原本沉默的skyllamycin类似物合成基因簇，获得新化合物；通过过表达AmphRIV显著提高两性霉素产量。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces nodosus ΔamphI | skyllamycin脂肽生物合成 | skyPKS（2-[1-(Z)-propenyl]-cinnamoyl-ACP合成酶基因） | 2-[1-(Z)-propenyl]-cinnamoyl-ACP合成酶 | 催化 | 过表达该基因激活了skyllamycin类似物的产生 |
| Streptomyces nodosus ΔamphI | skyllamycin脂肽生物合成 | luxR (SNOD_28895) | LuxR转录调节因子 | 调控 | 过表达LuxR同样激活了skyllamycin类似物的产生 |
| Streptomyces nodosus ΔamphNM | 两性霉素生物合成/前体供给 | accA2, accB2 | 乙酰CoA羧化酶（AccA2-AccB2） | 催化 | 过表达未显著提高两性霉素产量 |
| Streptomyces nodosus ΔamphNM | 两性霉素生物合成/前体供给 | accA2, pccB | 丙酰CoA羧化酶（AccA2-PccB） | 催化 | 过表达未显著提高两性霉素产量 |
| Streptomyces nodosus ΔamphNM | 甲基丙二酰CoA代谢 | 甲基丙二酰CoA差向异构酶基因（来自Actinoplanes caeruleus） | 甲基丙二酰CoA差向异构酶 | 催化 | 过表达对两性霉素产量影响不大 |
| Streptomyces nodosus ΔamphNM | 聚酮合成后修饰/ACP修饰 | SNOD_28340 | 磷酸泛酰巯基乙胺转移酶 | 催化 | 过表达未提高两性霉素产量 |
| Streptomyces nodosus ΔamphNM | 两性霉素生物合成调控 | amphRIV | AmphRIV转录激活因子 | 调控 | 过表达使两性霉素产量提高4倍 |
关键发现
- 基因组测序获得大小为7,714,110 bp的单scaffold
- 共鉴定24个天然产物生物合成基因簇
- 过表达amphRIV使ΔamphNM菌株两性霉素产量提高4倍
- 激活沉默的skyllamycin基因簇产生一种羟基化skyllamycin A类似物，其[M+Na]+为1521.4（skyllamycin A质量为1482.7）
- 过表达乙酰CoA羧化酶（AccA2-AccB2）、丙酰CoA羧化酶（AccA2-PccB）、甲基丙二酰CoA差向异构酶和磷酸泛酰巯基乙胺转移酶对两性霉素产量无显著影响。
研究结论
本研究提供了S. nodosus的参考基因组序列，鉴定了多个生物合成基因簇，成功激活了skyllamycin类似物的产生，并证明过表达AmphRIV可显著提高两性霉素产量，为两性霉素高产菌株的代谢工程改造奠定了基础。