基因组导向的齿梗孢霉活性成分的研究

The activation of silent gene cluster from fungi will lead to structurally diverse and biologically active secondary metabolites, which are considered as a promising source for the discovery of drug lead compounds. Based on the analysis of genomic bioinformation from fungus Calcarisporium arbuscula, the epigenetic modification enzymes and possible natural product related biosynthetic gene clusters will be predicted. The silent biosynthetic gene clusters will be activated by the knockout of epigenetic modification enzymes, such as histone deacetylase and DNA methyltransferase. Based on the chemical and biological screening, the mutation strains extracts will be isolated to yield novel bioactive compounds (such as diterpenoids) by using advanced chromatographic methods. The structure of isolated compounds will then be elucidated on the basis of extensive spectroscopic analysis. Their biosynthetic pathway will be proposed. All isolated compounds will be assayed for anticancer, antimicrobial and antiviral activities and then to summarize the structure-activity relationship. The strong bioactive compounds will be tested for bioactivity in vivo. The mechanism of action of these compounds will be further studied. The anticipant result of this project is to discover 60-80 compounds, including 20-40 new ones, 10-15 ones with strong bioactivity, and 1-2 promising lead compounds for the development of new drug.

真菌基因组中大量沉默的生物合成基因簇是天然产物新药发现的新源泉。从真菌齿梗孢霉的基因组出发，通过生物信息学分析，寻找其中的表观遗传修饰基因（如组蛋白去乙酰化酶、DNA甲基转移酶等），并预测出可能的次生代谢产物生物合成基因簇。通过分子遗传学手段，敲除表观遗传修饰基因，从而激活沉默的生物合成基因簇，获取突变菌株1-2株。通过化学筛选和活性筛选，并结合多种现代色谱技术高效快速地识别并获取突变菌株中已被激活的基因簇所代表的天然产物（如本课题中的二萜类化合物），利用波谱和化学手段鉴定其化学结构，并进行生物合成途径探讨。对所获得的单体化合物进行多种生物活性（抗肿瘤、抗菌和抗病毒）评价，总结构效关系；对活性强的化合物进行动物体内药效实验及作用机制研究。拟发现单体化合物60-80个，其中新颖结构化合物20-40个，活性显著的化合物10-15个，优选出1-2个有研发前景的潜在新药先导化合物。

真菌基因组中大量沉默的生物合成基因簇是天然产物新药发现的新源泉。从真菌齿梗孢霉的基因组出发，通过生物信息学分析，寻找其中的表观遗传修饰基因（如组蛋白去乙酰化酶、DNA甲基转移酶等），并预测出可能的天然产物生物合成基因簇。通过分子遗传学手段，敲除表观遗传修饰基因，发现敲除编码组蛋白去乙酰化酶的基因hdaA后，大量的沉默基因簇被激活。获得的突变菌株（ΔhdaA）其次生代谢产物谱发生显著变化，代谢产物的结构类型和数量均得到极大丰富。.通过化学筛选和活性筛选，结合多种现代色谱技术高效快速地识别并获取突变菌株（ΔhdaA）中已被激活的基因簇所代表的天然产物，利用波谱技术和化学方法鉴定其化学结构。共分离鉴定单体化合物64个，其中新化合物31个，包括二萜、聚酮、环肽、醌类和苯酞衍生物等多种结构类型。二萜类化合物32个分别属于5种不同的二萜亚型。首次发现一类结构新颖的二萜二聚体类化合物，它们是由两个不同亚型的二萜单体，通过八元内酯环二聚形成。结合基因组信息，对部分二萜类化合物的生物合成途径进行推测，为活性二萜类化合物的合成生物学研究奠定基础。.对所获得的单体化合物进行多种生物活性评价，发现2个二萜类化合物对人乳腺癌MCF-7细胞中基质金属蛋白酶MMP1和MMP2的表达有显著的抑制作用，3个结构新颖的二萜二聚体类化合物具有选择性肿瘤细胞毒活性，以及4个具有抗菌活性的化合物。总结了二萜类化合物的初步构效关系。以上丰富而多样的活性天然化合物的发现，展示出真菌中的沉默基因作为一种可持续利用的“隐秘”资源值得深入挖掘。.本项目利用表观遗传调控技术激活真菌中的沉默基因，发现常规条件下难以产生的“隐秘”活性天然产物，为天然产物的新药发现拓展了新资源，为传统天然产物化学研究开拓了新思路。.