深海链霉菌 Streptomyces atratus SCSIO ZH16中新颖环肽化合物atramycin的代谢激活及其生物合成机制

Marine Actinomycetes are the new resources of the secondary metabolites with diverse bioactivities and novel structures, which make them be important in the drug discovery and development. Streptomyces atratus SCSIOZH16 is a deep sea derived Streptomyces and the Marine Actinomycetes are the new resources of the secondary metabolites with diverse bioactivities and novel structures, which make them be important in the drug discovery and development. Streptomyces atratus SCSIOZH16 is a deep sea derived Streptomyces and the complete genome sequence revealed it has the potent to produce many secondary metabolites. On this basis, we will carry out the experiments to: 1) activate the production of atramycin with 2-methyl-cinnamic acid novel unit by genome mining, isolate more pure atramycin and its analogues, obtain their physical and chemical constants and determine their absolute stereo-configuration; 2) and further to conduct the biosynthesis of atarmycin, in vitro establish the biosynthetic pathway of novel 2-methyl-cinnamic acid unit, characterize the double beta-hydroxylation modifications of cytochrome P450 monooxygenase; 3) systematically evaluate the anti-infective activities against the bacteria, virus, fungi and parasites, as well as anti-tumor activities. The implementation of this project will lead to the discovery of the novel enzymes and marine drug leads.

海洋放线菌是活性多样、结构新颖次级代谢产物的新资源，在药物开发中具有重要地位。Streptomyces atratus SCSIO ZH16是深海来源链霉菌，其基因组完成图的生物信息学分析提示该菌株具有生产多个次级代谢产物的潜能。本项目将在此基础上，1）通过利用多种基因组挖掘技术定向激活含有2-甲基取代的肉桂酸结构单元的环十肽化合物atramycin的表达，测定其理化常数，确定其绝对构型；2）并进一步开展atramycin生物合成研究，体外重建稀有结构单元2-甲基肉桂酸结构单元的形成过程和体外酶学表征细胞色素P450单加氧酶的双beta-羟基化功能，阐明atramycin的生物合成机制；3）系统性地评价atramycin及其衍生物抗菌、抗病毒、抗肿瘤等活性。通过本项目的实施以期发现负责新颖结构单元的合成酶系和药物先导化合物。

海洋放线菌是活性多样、结构新颖次级代谢产物的新资源，在药物开发中具有重要地位；基因组挖掘技术的发展为新天然产物的高质量发现创造了条件。本项目基于拟定的研究内容，项目组成员综合利用基因组挖掘、天然产物化学和分子生物学等技术，实现了项目的预定目标，获得了以下成果：1）实现了沉默基因簇编码产物（命名为atratumycin，安布霉素）的稳定、高效表达；2）通过规模化发酵，制备了约20毫克的安布霉素，并基于HRESIMS、1D、2D NMR数据解析了该化合物的平面结构、通过单晶衍射解析了化合物的立体结构；3）通过对结构基因的体内敲除和异源表达确定了安布霉素的生物合成基因簇及其边界；基于基因敲除和反式回补、基因的体外蛋白表达和酶学表征，明确了基因簇中调控基因、转运基因、细胞色素P450基因及非经典II型PKS等相关基因在安布霉素及其独特结构单元元合成中的作用，阐明了安布霉素的生物合成途径，并构建了5个安布霉素高产菌株，其产量较其对照菌株提升1.7-2.3倍，为安布霉素结构改造和开发创造了条件；4）基于肉桂酰结构单元的合成特征，开展了肉桂酰结构单元的定向改造，并获得了2个安布霉素新衍生物安布霉素B和C；5）完成了安布霉素和安布霉素 B 的抗结核活性评价，初步揭示了该类环肽的构-效关系，获得抗结核药物先导安布霉素 B；6）此外，我们还构建了全球首个深海链霉菌底盘细胞S. atratus SCSIO ZH16NSE，为海洋微生物中其他次级代谢产物的挖掘奠定了坚实基础。上述研究成果在Org. Lett.，ACS Syn. Biol.，J. Nat. Prod.等期刊发表9篇基金标注SCI论文，获得授权专利2件，相关研究成果受到了科学网等的报道和转载；通过项目研究内容的实施，培养硕士研究生2名（均获得研究生国家奖学金），实现1名助理研究员到副研究员的晋升，项目负责人于2020年获得国家优青项目资助。