真菌中参与次级代谢的真核操纵子研究

An operon is a transcriptional unit of genomic DNA containing a common promoter, a common operator and a cluster of structural genes. Originally, operons were thought to exist solely in prokaryotes but it has been discovered in a few eukaryotes. Fungi represent a unique kingdom of eukaryotes but do not find operon. During the study on polyketide synthase (PKS) of antifungal chemical (pneumocandin) producing fungus Glarea lozoyensis, a special genomic locus was found to contain a PKS gene (pks3) and a nonribosomal peptide synthase (NRPS) gene (nrps) transcribed in the same direction with a very short intergenic distance (26 bp), which shows a typical operon structure. The aims of this project are to heterologous express pks3 and nrps cluster in Aspergillus nidulans to verify whether pks3 and nrps are transcribed as an operon; to disrupt pks3 and analyze secondary metabolites to identify the product produced by PKS3 and NRPS. This study will not only shed new light on the origin and evolution of fungal secondary metabolite encoding genes, but also lead to further understanding of the transcription and regulation of eukaryotic genomic DNA. The result will also provide important reference to the fungal polyketide research.

操纵子是指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称和转录功能单位。它主要存在于原核生物中，目前只在极少数动植物基因组中发现了操纵子，但真菌作为系统学上真核生物的一个独立的界，至今没有发现操纵子。我们在对抗真菌药物产生菌Glarea lozoyensis的聚酮合酶基因分析时发现pks3和nrps基因具有操纵子的基本特征，本项目申请通过异源表达来验证pks3和nrps是否以操纵子的形式进行转录；通过基因敲除和产物分析明确pks3和nrps负责合成的次级代谢产物。研究结果不仅将为真菌次级代谢产物编码基因的起源与进化研究提供新的依据和途径，而且有利于进一步全面深入的认识和理解真菌乃至真核生物基因的转录调控模式，在真菌聚酮化合物研究方面也具有重要的理论和实践意义。

操纵子是指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称和转录功能单位，在启动子的控制下，结构基因共同转录为一条多顺反子mRNA。它主要存在于原核生物中，目前只在极少数动植物基因组中发现了操纵子，但真菌作为系统学上真核生物的一个独立的界，之前一直没有发现操纵子结构的存在。我们在属于子囊菌门锤舌菌纲的Glarea lozoyensis中发现了一个参与次级代谢的操纵子结构glpks3-glnrps7。glpks3和glnrps7分别编码一个聚酮合酶和一个非核糖体多肽合成酶，这两个基因紧密相连，且转录方向一致，在同一个启动子的控制下协同转录成一条双顺反子mRNA，之后转录为两个独立蛋白GLPKS3和GLNRPS7。glpks3-glnrps7在构巢曲霉中的异源表达试验表明GLPKS3-GLNRPS7酶复合体负责一个新的tetramic acid类化合物—xenolozoyenone的合成。尽管glpks3-glnrps7操纵子的结构与原核操纵子类似，但该操纵子起源于真菌，并不是经由水平转移从原核生物中获得的。通过生物信息学分析，我们在Glarea lozoyensis中共发现包括glpks3-glnrps7在内的138个由2个基因组成的疑似操纵子结构，占整个基因组中编码基因的2.1%。另外，我们根据构巢曲霉、Glomerella graminicola和Drechslerella stenobrocha的基因组与转录组数据对类似操纵子结构进行了预测，发现类似操纵子结构在真菌中较为普遍。研究结果不仅为真菌次级代谢产物编码基因的起源与进化研究提供了新的依据和途径，而且有利于进一步全面深入的认识和理解真菌乃至真核生物基因的转录调控模式，在真菌聚酮化合物研究方面也具有重要的理论和实践意义。