基于DNA-蛋白互作网络揭示天蓝色链霉菌次级代谢调控机理

链霉菌合成杀虫、抗病、抗癌药物的次级代谢过程受到复杂而精细的调控。调节基因编码与DNA结合的转录调节蛋白，是构成调控网络的基本元素，也是各种生理、生化和环境信号调控次级代谢的重要切入点。以模式菌株天蓝色链霉菌为对象，通过全基因组功能基因扫描，我们找到十多个新调节基因，其突变株超产或不产放线紫红素，因此是抗生素合成调控网络的关键节点基因。本项目以这些基因编码的调节蛋白为研究核心，拟采取染色质免疫沉淀与新一代测序联用技术，基于体内DNA-蛋白相互作用钓取待研蛋白的DNA结合靶点，从全基因组范围找到它们的靶基因集，明确各调节蛋白的调控网络模块；根据模块之间交叉重叠的基因建立这些调节蛋白之间、它们与已知调控途径之间的联系，构建天蓝色链霉菌放线紫红素生物合成的调控网络，在基因互作网络水平揭示上述基因调控次级代谢的机理。

链霉菌合成杀虫、抗病、抗癌药物等次级代谢产物的过程受到复杂而精细的调控。天蓝色链霉菌产放线紫红素和十一烷基灵菌红素/链红素B，是抗生素调控研究的模式菌株。本研究构建了分别含5万多株的两个突变体库，获得调控两种抗生素的1013个功能基因；明确验证其中68个基因的突变降低ACT合成，50个基因的突变提高ACT产量，其中10个基因的突变提高ACT产量50倍以上；明确验证24个基因的突变降低RED合成，52个基因的突变提高RED产量，其中11个基因的突变提高RED产量10倍以上。另外，突变体库中发现9个没有转座插入的调控基因，但均能实验敲除，且敲除未影响生长和抗生素合成；过量表达其中SCO2398导致放线紫红素大量合成。上述多数是新发现的功能基因，为抗生素高产育种提供丰富、有效的工程改造靶标。.选取其中18个转录调控基因的突变株进行转录组研究，将转录上调基因和下调基因与1013个抗生素调控功能基因关联，构建放线紫红素和链红素B的调控网络，发现这些转录调控基因通过影响许多靶基因的表达而综合影响抗生素的合成。其中15个基因通过最终影响放线紫红素或链红素B合成途径的结构基因和调控基因的表达从而调控相应抗生素的合成，包括3个对ACT具有负影响的基因，5个对ACT正影响的基因，4个对RED具有负影响的基因和3个对RED正影响的基因。此外SCO2398过表达菌株的转录组研究发现8个负调控功能基因的转录下调，导致放线紫红素大量合成。两种抗生素的调控网络共享一些相同的节点，这些基因同时影响两种抗生素的合成，具有全局性调控作用，可以作为很好的抗生素高产育种靶标，也是构建链霉菌天然产物超级宿主的优质候选基因。.在天蓝色链霉菌的近缘种变铅青链霉菌表达全局性调控基因afsRS，并敲除放线紫红素、链红素B和钙依赖性抗生素等内源基因簇，得到背景清晰的异源抗生素表达宿主SBT5和SBT18，在其中异源表达细菌人工染色体基因组文库，获得一组新骨架双吡咯-特胺酸杂合三环化合物杂红素，并证明杂红素由宿主链红素残缺途径与特胺酸途径交叉汇聚合成。为抗生素基因组挖掘和组合生物合成提供可借鉴的新工具和策略。