进化树指导下真菌新颖聚酮-非核糖体肽化合物发现与生物合成研究

Fungi are important resource of drug leads. With the fast development of sequencing methods, more genomic data could be acquired freely. The discovery of new natural products by activation of the silent gene cluster is a promising strategy. However, the genome mining from fungi is not always reliable now due to the poor prediction of genetic information and absence of stable heterologous expression platform. Fungal polyketide-nonribosomal peptide is a family of natural products with diverse structures and activities. We propose to activate the cryptical PKS-NRPS gene clusters based on molecular phylogenetic analysis by the optimized heterologous expression host, Aspergillus nidulans. Furthermore, the novel enzymology in the biosynthetic pathways will be investigated. The active compounds isolated in the study will be potential drug leads for drug discovery.

真菌次级代谢产物一直是药物研发的重要来源之一。随着基因组测序技术的迅速发展，越来越多的基因组序列信息可以公开获得。通过序列分析发现，真菌次级代谢合成相关基因数量十分丰富，远超出目前已经分离的化合物数量，并且大部分基因簇在常规培养下是沉默的。通过基因组挖掘的方式去发现新颖活性产物成为研究重点和热点。真菌源聚酮-非核糖体肽是一类具有代表性的真菌次级代谢产物，普遍具有复杂多样的化学结构和生物活性。本项目拟在基因组序列比对分析的基础上，以进化树分析结果为指导，选取特定的聚酮-非核糖体肽合酶基因簇，利用成熟的构巢曲霉表达系统，快速、高效的挖掘出结构新颖的次级代谢产物，利用生物活性测定平台筛选出具有潜在应用价值的先导化合物。在此基础上，对化合物的生物合成开展研究，揭示其中可能的新型酶学机制，为组合生物合成及合成生物学提供元件。

真菌天然产物一直是药物研发的重要来源之一。随着真菌基因组测序技术的发展和生物信息学的进步，通过基因组挖掘的方式去发现新颖活性产物成为研究重点和热点。真菌源聚酮-非核糖体肽是一类具有代表性的真菌次级代谢产物，普遍具有复杂多样的化学结构和生物活性。本项目是在以进化树分析结果为指导，选取特定的聚酮-非核糖体肽合酶基因簇，利用成熟的构巢曲霉表达系统，快速、高效的挖掘出结构新颖的次级代谢产物，利用生物活性测定平台筛选出具有潜在应用价值的先导化合物。.研究以含D-serine结构的抗结核聚酮-氨基酸化合物pyrrolocin A的PKS-NRPS的A domain出发，证实了该合成是直接以D-serine为底物的。通过基因组挖掘发现了一个结构类似的化合物，具有更强的抑制结核分枝杆菌的活性。通过domain的替换，证实了D型氨基酸结构对活性的重要性（提高32倍），同时还研究了生物合成途径中的氮甲基转移酶的功能和机理。在生物信息学分析预测的指导下，从Macrophomina phaseolina基因组中挖掘的负责新型3-Decalinoyltetramic acid（DTA）的生物合成基因簇，并验证了生物信息学预测的准确性。这个研究结果为“proof of concept”提供了一个成功的例子，即结合系统发育进化树的生物信息学预测和异源表达是从真菌物种中挖掘新型DTA的有效方法。.P450酶是真菌天然产物生物合成中常见的后修饰酶，在基因组挖掘出聚酮-氨基酸化合物macrophasetins时，P450（MacC）并没有催化类似的tetramic acid扩环反应形成2-pyridones六元环结构的反应，而是在其β位发生了羟化反应，通过酿酒酵母表达该P450，提取微粒体，进行体外催化，证实P450功能，同时推测了该酶催化反应的机理。.这些研究内容和结果实现了我们的研究目标，即通过生物信息学分析选取真菌PKS-NRPS基因簇，利用构巢曲霉异源表达平台，获取并鉴定出相应的次级代谢产物; 阐明一些所获得的次级代谢产物中独特化学结构单元的生物合成酶学机制，从中筛选出具有显著生物活性的新化合物。