基于基因组和化学大数据的植物内生真菌“隐形天然产物”挖掘

Natural products are functional molecules designed by creature in the process of biological evolution for the defense or other physiological needs. The exquisite stereo configuration endows them the perfect affinity with macromolecules, especially the target protein, as well as the “natural” feasibility of participating in physiological processes. This advantage of natural products is unmatched by chemical synthetic compounds. With the development of genome sequencing technology, genome mining natural products has become the main method for the discovery of novel compounds. In the early stage, we studied the secondary metabolites of several endophytic fungi from Ginkgo biloba by traditional methods and a variety of novel compounds have been harvested. However, genome scanning analysis reveals that there are still a large number of novel compounds hidden in the "silent" biosynthetic gene cluster. In view of this, we sequenced the whole genome of two potential endophytic fungi strains from Ginkgo biloba. Based on the predicted chemical data, we used high throughput and automated Genomes-to-Natural Products platform (GNP) to find out the new natural products expressed by the silent gene that are awakened. The implementation of the project not only can quickly find the "cryptic compounds", but also we can further perfect the GNP platform through practice for the better application in the discovery of fungal natural products.

天然产物是生物通过漫长的基因进化，为了防卫或其他生理需要而“设计”出来的功能小分子，精妙的立体构型赋予它们与生物大分子、尤其靶标蛋白之间完美的亲和力以及参与生理过程的“天然”可行性，这是化学合成分子无法比拟的优势。随着基因组测序技术的日益成熟，基于基因组数据的天然产物挖掘已经成为后基因组时代天然产物发现的主要手段。前期我们采用传统方法对两株银杏内生真菌的次生代谢产物进行了系统的研究，发现了多种新颖结构的活性化合物。但是基因组扫描分析揭示仍然有大量新颖的化合物类群隐藏在“沉默”的生物合成基因簇中。鉴于此，本项目对两株有再挖掘潜力的内生真菌全基因组测序，结合虚拟化学大数据，采用高通量自动化基因导向的天然产物挖掘平台（GNP）去快速发现沉默基因人为诱导表达的新活性产物。项目实施不但可以快速发现“隐形化合物”，而且通过实践可以进一步完善GNP平台，提高其在真菌天然产物挖掘中的潜力。

天然产物是生物通过漫长的基因进化，为了防卫或其他生理需要而“设计”出来的功能小分子，精妙的立体构型赋予它们与生物大分子、尤其靶标蛋白之间完美的亲和力以及参与生理过程的“天然”可行性。但是，天然产物发现过程中人们会重复分离到以前发现的化合物，如何在分离之前就能确定哪些液相峰是已知的化合物，哪些是新化合物，这样就可以定向的去分离新化合物，大大的节省了人力物力的无效投入。随着基因组测序技术的日益成熟，基于基因组数据的天然产物挖掘已经成为后基因组时代天然产物发现的主要手段。鉴于此，本项目旨在通过各种方法激活生物合成基因合成天然产物的潜力，然后去定向的发现沉默基因表达合成的新化合物，加速活性先导化合物的发现。我们对前期研究的对两株有再挖掘潜力的内生真菌全基因组测序，结合虚拟化学大数据，采用高通量自动化基因导向的天然产物挖掘平台（GNP）去快速发现沉默基因人为诱导表达的新活性产物，利用质谱数据库比对，确定可能的新化合物峰，然后去定向分离可能的新化合物，分离纯化后通过波普技术确定化合物结构，验证是否和预测的结构类似。项目实施后发现新颖结构的天然化合物超过50个，其中包括聚酮类化合物（蒽醌类和嗜氮酮）、萜类化合物、生物碱类化合物等类型，结构鉴定后与预测结构的相似度都达到90%以上，而且发现新化合物的效率比传统的方法提高了十倍以上。我们对化合物进行了抗肿瘤活性、抗氧化活性以及抗菌活性测试，从中发现了强活性化合物，并对细胞松弛素类和嗜氮酮活性成分的抗肿瘤机理进行了探索，对联苯类化合物的抗菌机理也进行了阐明。同时，以采用培养条件优化和代谢通路激活的手段将细胞松弛素类、嗜氮酮类以及蒽醌类化合物的发酵产量提高到工业化水平。项目的研究具有重要的科学意义，为后续的基于合成基因激活的新天然产物发现平台优化积累了经验，也为未来基于新结构活性成分的药物开发打下了基础。