基于分子系统发育分析发掘青藏高原极端生境放线菌聚酮和聚肽天然产物

Polyketides and polypeptides in natural products are critical to the discovery and development of new microbial drugs, however, the emergence of drug-resistant disease and the serious shortage of new bioactive natural products limit the development of new microbial drugs. A large number of unknown microbials, especially actinomycetes, producing polyketides and polypeptides, survive in the extreme habitats of the Qinghai-Tibet Plateau (QTP), from which mining polyketides and polypeptides will be a promising way to solve this bottleneck. In the project, the microbes of different extreme habitats in the QTP were investigated. Firstly, the biosynthesis diversity and biogeography of polyketides and polypeptides would be revealed by molecular phylogenetic analysis of their biosynthesis genes. Secondly, the significant bioactive actinomycetes producing polyketides and polypeptides would be obtained from the investigation of selective isolation of actinomycetes in special habitats showing high richness, positive screening of strains producing polyketides and polypeptides, as well as bioactivities study. Thirdly, the new and bioactive chemical entities pertaining to polyketides and polypeptides will be obtained through systematic isolation of secondary metabolites of representatively bioactive strains. Finally, the genome of new bioactive molecules producing strains will be sequenced, and underlying novel biosynthesis gene clusters will be mined based on bioinformatics analysis. The successful implementation of the project will accelerate the development of microbial drugs in extreme habitats of the QTP, which is of great significance for expanding the drug source.

聚酮和聚肽天然产物对于微生物新药物的发现和发展至关重要，而耐药疾病的发展和新活性天然产物的严重短缺限制了微生物新药开发。青藏高原极端生境孕育着大量合成聚酮和聚肽的未知微生物资源，尤其是放线菌，从中发掘活性聚酮和聚肽将是解决这一瓶颈的重要途径。本项目拟以青藏高原不同极端生境的微生物为研究对象，首先通过聚酮和聚肽生物合成基因的分子系统发育分析，揭示聚酮和聚肽生物合成多样性及其生物地理分布；其次，对丰富度显著的生境土壤进行放线菌选择性分离、聚酮和聚肽生物合成的菌株筛选及生物活性研究，获得具有显著活性的聚酮和聚肽生产菌；再次，对代表性活性菌株进行次级代谢产物研究，发掘新结构和活性显著的聚酮和聚肽天然产物；最后，对新颖活性分子产生菌进行基因组测序，结合生物信息分析，发掘潜在的新生物合成簇。本项目的顺利实施，将会加快青藏高原极端生境微生物药物开发的进程，对于扩大药源具有重要意义。

聚酮和聚肽天然产物是微生物药物发现和发展的重要源泉，并且放线菌是其生物合成的主要来源。从源于普通生境的放线菌中发现新的化学实体愈发困难，而青藏高原极端生境放线菌由于具有更加特殊的遗传特性、生理功能和特殊代谢产物，为活性天然产物的发掘提供了新的物种资源。本项目基于聚酮聚肽生物合成基因保守结构域的高通量测序和系统发育分析，发现放线菌在青藏高原极端生境中的聚酮聚肽生物合成贡献程度最大，并且高寒草甸、森林、湿地和退化草地生境的聚肽生物合成潜力最大；湿地中合成I型聚酮的潜力最大；对于II型PKS，高山森林、湿地和盐湖生境的潜在合成能力最大。为探究环境因子对聚酮聚肽合成潜力的影响，我们分析了放线菌群落结构对不同环境因子的响应关系，发现土壤pH、常量元素以及土壤总磷对分别产NRPS、I型和II型PKS放线菌的影响最大。此外，对各生境代表性样本的16S 高通量测序分析表明，放线菌门（33.59%）是主要优势菌群，并且高寒草甸、湿地和退化草地放线菌丰度最高，说明这些极端生境土壤中聚酮聚肽生物合成丰富度主要由放线菌多样性所导致。在此基础上，从高寒草甸、森林、湿地和退化草地生境中分离得到了649株菌，利用16S rRNA 基因和系统发育树构建，已鉴定了其中465株菌株，大部分为放线菌，其中有52株为潜在新种。目前通过102株典型放线菌次级代谢产物的抗菌或抗肿瘤活性评价，筛选到了18株对金黄色葡萄球菌或白色念珠菌具有显著抗菌活性的放线菌，并筛选出了6种具有显著抑制人结肠癌细胞SW-480增殖作用的放线菌。为了进一步挖掘抗菌和抗肿瘤活性的天然产物，对抗菌和抗肿瘤活性最显著的菌株Qhu-M197开展次级代谢产物研究，从其发酵产物中分离到13个单体化合物，并鉴定了其中6个聚酮或聚肽化合物，分别是aerugine、aeruginol、,3,4,5-tetrahydro-3,5-dihydroxy-6H-1,5-benzoxazocin-6-one、4',5,7-trihydroxyisoflavone、daidzein和mithramycin，其中化合物mithramycin对金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的MIC<0.25μg/mL，并且其也是一类具有抗肿瘤活性的抗生素，因此该菌株可以作为抗菌和抗肿瘤药物的潜在新来源。本项目将为从青藏高原极端生境快速发掘活性聚酮和聚肽化合物提供新的思路。