动物肠道放线菌来源的5个抗肿瘤和抗真菌活性新结构化合物生物合成研究

The new actinomycetes strains from animal gut, which might contain novel genes, may have the potential to produce novel natural products and become a new source for new drug development. In our previous studies, we isolated a new Streptomyces strain Streptomyces albolongus YIM 101047 from Elephas maximus gut. It could produce five novel compounds with strong antitumor and antifungal activities, which are almost similar to that of clinical drugs adriamycin and amphotericin B. These novel compounds have great potential for drug development, but their low titer in wild type strain limited their further study. Moreover, the precise biosynthetic mechanisms of these novel compounds have not been well studied. In this study, advances of genomics, bioinformatics and combinatorial biosynthesis will be used to unveil the biosynthetic mechanisms of these compounds. Their gene clusters will be cloned. Gene knockout, gene complementary and gene multicopy mutants will be constructed to elucidate function of key genes. Hopefully, novel analogs will be found and the production of these compounds will be increased. This study will lay a solid foundation for the development of these novel antitumor and antifungal compounds and may give new insights into the new drug discovery from animal gut Actinomycetes.

来源于动物肠道的放线菌新菌株可能蕴含新基因，从而具有产生新结构天然产物的潜力，可能成为新药研发的新来源。我们从亚洲象肠道分离到一株链霉菌新种Streptomyces albolongus YIM 101047，从中获得了5个具有较强抗肿瘤、抗真菌活性的新化合物，它们的活性与临床使用的药物阿霉素和两性霉素B活性相当，具有深入研究和应用的巨大潜力。然而，这些化合物在野生型菌株中的低产量限制了对它们的进一步研究；此外，它们的生物合成机制并不明了。本研究拟结合基因组学、生物信息学和组合生物合成学的手段，克隆化合物的生物合成基因簇，进行基因组挖掘，通过基因敲除、互补、多拷贝等突变株构建，研究关键基因和酶功能，初步探索化合物的生物合成机制，寻找新结构活性类似物并提高产量。本项目将为这些新活性化合物的开发打下坚实的基础，同时将可能为动物肠道放线菌来源的新药研发提供新视角。

链霉菌Streptomyces albolongus YIM 101047代谢了PKS和terpene两类具有较强抗肿瘤、抗真菌活性的新化合物。部分化合物的活性与临床使用的药物阿霉素和两性霉素B活性相当，具有深入研究和应用的巨大潜力。然而，这些化合物在野生型菌株中的低产量限制了对它们的进一步研究；此外，它们的生物合成途径并不明了。本项目构建了菌株遗传操作体系；测定了基因组的序列，进行生物信息学分析，注释基因组；构建了基因组文库，制作特异性探针筛选文库，分别克隆了化合物1-3和化合物4、5的生物合成基因簇。详细分析了获得的基因簇，初步推测各个基因可能的生物学功能，筛选出了负责化合物生物合成的关键基因。构建了关键结构基因和调控基因的敲除、互补和多拷贝等一系列突变株，对突变株发酵产物进行分离纯化结构解析，对化合物进行活性分析，对化合物1-3和化合物4、5的生物合成机制进行了研究，提高了部分化合物的产量。表达了关键酶，研究了酶的生化特性，对获得的新产物进行了活性及生物合成机制的研究。针对基因组挖掘发现的潜力基因簇，以潜在的其它PKS和terpene基因簇为重点目标，通过敲除核心基因、异源表达、代谢分流、途径特异性或多途径调控基因进行敲除或多拷贝的遗传操作等多种方法，寻找新产物。综上所述，本项目结合基因组学、生物信息学和组合生物合成学的手段，初步阐明了化合物的生物合成机制，提高部分化合物的产量。本项目为这些新活性化合物的深入研究和开发利用打下了坚实的基础。