海洋游丝链霉菌新颖隐性次级代谢基因簇的激活及其产物的定向发现

The rapidly increasing microbial genome sequencing data has demonstrated the presence of numerous “cryptic” secondary metabolites biosynthetic gene clusters, providing unprecedented opportunities for novel natural products discovery. Marine environment offers a more complex, various and challenging living conditions, which endowed marine microorganisms with unique genes and metabolic pathways, and hence to produce different compounds with unique structures and novel activities. Our previous study revealed that the genome of marine Streptomyces youssoufiensis harbors at least 25 novel “cryptic” gene clusters, indicating its great biosynthetic potentials of novel natural products. In this project, we are going to identify novel “cryptic” biosynthetic gene clusters encoding polyketides (PKs), nonribosomal peptides (NRPs) and hybrid NRP-PKs, to predict the structure of the encoded molecules, and then to activate the expression of the targeted gene clusters by using genome mining strategies including gene disruption, gene overexpression, heterologous expression and reporter-guided method; the product will be detected through comparative metabolite profiling and identified by using a combination of 1- and 2-D NMR experiments (1H, 13C, COSY, TOCSY, HSQC, HMBC, NOESY and ROESY). Project implementation would offer more novel bioactive PKs/NPSs compounds for marine drug development, discover novel biosynthetic genes and pathways, and more importantly, provide important theoretical guidance for genome mining of other Streptomyces strains.

微生物基因组大规模测序揭示了链霉菌中大量编码未知结构次级代谢产物的隐性基因簇，为新药研发提供了前所未有的机遇。海洋的特殊生境赋予了海洋链霉菌独特的次级代谢产物合成途径。生物信息学分析表明，海洋游丝链霉菌Streptomyces youssoufiensis基因组中含有至少25个新颖隐性次级代谢基因簇，显示了其突出的新型天然产物的合成潜力。本项目拟以S. youssoufiensis为研究对象，采用基因阻断、高表达、异源表达、报告基因等基因组采掘策略，靶向激活其中新颖的聚酮/聚肽隐性生物合成基因簇，通过比较代谢组分析快速排重，定向分离和鉴定新型结构化合物，为海洋新药研发提供化合物实体。同时，本研究将揭示更多组装新型聚酮/聚肽的功能元件及合成途径，为采用组合生物合成和合成生物学策略进行创新药物研究奠定重要基础；另一方面将为其他链霉菌的基因组采掘提供重要的技术参考和理论指导。

微生物基因组大规模测序揭示了放线菌中大量编码未知结构次级代谢产物的隐性基因簇，为新药研发提供了前所未有的机遇。海洋的特殊生境使得海洋微生物在长期进化过程中形成了独特的次级代谢产物合成途径，实验室环境与海洋环境的巨大差异势必会导致基因簇的隐性状态。本项目以基因组信息为指导，综合采用基因阻断、高表达、异源表达、启动子工程等多种遗传学手段，激活了海洋放线菌中多个隐性基因簇的表达，获得了youssoufenes等22个不同类型的新颖结构活性化合物；通过遗传改造与途径重构等手段，获得了15个新颖的活性化合物结构类似物；初步阐明了新颖的芳香多烯酸类化合物youssoufenes、杂萜类化合物drimentines、聚酮类化合物reedsmycins和violapyrones的生物合成途径；发现了能够有效激活放线菌中隐性基因簇的潜在靶基因（氨基转移酶家族基因dtlA，高度保守的whiB-like基因wblA，IclR家族调控基因ndgR），建立了通过III型聚酮合酶突变体激活异源宿主隐性基因簇的策略；建立了“2D-NMR代谢组-基因组-活性”复合策略，为新颖海洋活性天然产物，特别是不稳定活性化合物的快速挖掘提供了重要手段。通过项目实施发表论文18篇，其中SCI收录论文13篇，2篇IF>10，申请专利4项，其中1项PCT专利，培养的学生荣获山东省2019年博士学位论文1项、山东省2016年研究生优秀成果奖二等奖1项。项目研究成果为开发具有我国自主知识产权的创新药物提供了物质基础，为下一步采用组合生物合成和合成生物学策略进行化合物的理性智造提供了科学理论指导，同时为其他放线菌的基因组采掘提供了可靠的技术参考。