Characterization of the unconventional meroterpenoid gene cluster from Stachybotrys sp. CPCC 401591 for phenylsiproidamines biosynthesis
- 作者
- Hui Lv, Bailin Song, Lingjin Bu, Wenni He, Lu Wang, Liyan Yu, Tao Zhang
- 单位
- Institute of Medicinal Biotechnology, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100050, China
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2025）
- DOI
- 10.1186/s12934-025-02853-3
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明真菌Stachybotrys sp. CPCC 401591中苯基螺内酰胺（PSDs）类meroterpenoid生物合成的分子基础，特别是负责其合成的基因簇及生物合成途径。
研究策略
结合基因组挖掘、生物信息学比对、基因缺失和RNA-seq转录组分析，对Stachybotrys sp. CPCC 401591中负责PSDs生物合成的psd基因簇进行表征，并基于基因簇数据与转录组分析提出chartarlactam K的推测生物合成途径。
核心内容
本研究对真菌Stachybotrys sp. CPCC 401591中负责苯基螺内酰胺类meroterpenoid生物合成的基因簇进行了系统表征。通过全基因组测序获得38.44 Mb非冗余碱基，在组装的276个scaffold中鉴定到独特的psd基因簇，其中psdA编码的非还原型聚酮合酶与已知蛋白一致性超过74.69%。基因敲除实验证实，ΔpsdA-16突变株完全丧失了stachybotrylactam和chartarlactam F的产生能力，二者特征离子均为m/z 386.3 [M+H]+，表明PsdA是PSDs生物合成途径中的核心催化酶。转录组分析共鉴定3874个差异表达基因，在TBI诱导条件下，psdA、psdE和psdF的转录水平分别较PDB条件上调3.3倍、12.9倍和31.1倍，基因簇内8个基因均显著上调，从而有效区分了簇内冗余基因与参与生物合成的功能基因。基于基因簇组成和转录组数据，提出了包含PsdA/PsdB/PsdC核心酶系及后修饰酶的chartarlactam K推测生物合成途径。该研究首次阐明了PSDs生物合成的分子基础，为真菌meroterpenoid的代谢工程改造和新型活性分子开发提供了理论支撑。
创新点
首次表征了负责PSDs生物合成的基因簇psd；利用转录组分析区分了基因簇内的冗余基因和参与生物合成的基因；提出了包含PsdA/PsdB/PsdC核心酶系及后修饰酶的完整生物合成模型。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdA | 非还原型聚酮合酶 (NR-PKS) | 催化 | 基因敲除完全消除stachybotrylactam和chartarlactam F的产生，是PSDs生物合成的关键基因 |
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdB | 腺苷酸形成还原酶 (adenylate-forming reductase) | 催化 | 与PsdA、PsdC共同负责中间体ilicicolin B的生成 |
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdC | UbiA家族异戊烯基转移酶 (prenyltransferase) | 催化 | 催化法尼基链转移，参与ilicicolin B形成 |
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdJ | O-乙酰转移酶 | 催化 | 推测催化chartarlactam K合成最后一步乙酰化反应 |
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdN | 甲基转移酶 | 催化 | 在TBI条件下显著上调，参与PSDs后修饰 |
| Stachybotrys sp. CPCC 401591 | Phenylsiproidamines (PSDs) / meroterpenoid biosynthesis | psdI | 推测的途径特异性转录调控因子 | 调控 | 转录组分析推测其可能调控psd基因簇的表达 |
关键发现
- 通过全基因组测序获得38.44 Mb非冗余碱基，组装的276个scaffold中鉴定到独特的meroterpenoid基因簇psd，其中psdA编码的NR-PKS与已知蛋白一致性>74.69%。基因敲除实验获得ΔpsdA-16突变株，诊断PCR显示ZeoR引物产生1300 bp和1392 bp两个片段而WT无
- psdA内部引物在WT中产生4553 bp和4533 bp片段而突变株无。LC-MS分析表明，敲除psdA后完全消除了stachybotrylactam（tR=15.15 min）和chartarlactam F（tR=16.45 min）的产生，二者特征离子为m/z 386.3 [M+H]+和771.2 [2M+H]+。转录组分析共鉴定3874个DEGs，其中2053个上调、1821个下调。TBI条件下，psdA、psdE和psdF的转录水平分别较PDB条件上调3.3倍、12.9倍和31.1倍
- 基因簇内8个基因（psdA-F、psdJ、psdN）均显著上调。
研究结论
本研究首次报道了Stachybotrys sp. CPCC 401591中负责苯基螺内酰胺衍生物生物合成的psd基因簇，通过基因缺失和转录组分析证实了PsdA的核心催化作用，并提出了chartarlactam K的推测生物合成途径。该研究加深了对真菌meroterpenoid生物合成机制的理解，为PSDs的代谢工程改造和新型生物活性分子的生产奠定了基础。