植物体内沉默基因的表达.docVIP

激活微生物体内隐藏天然产物的生物合成 Kirstin Scherlach and Christian Hertweck Translated from The Royal Society of Chemistry 2009.7 摘要：微生物体产生的天然产物是新型药物的重要资源，但在标准实验室条件下培养微生物时，仍未发现更多由沉默基因编码的有价值化合物，在特殊条件，能激这些活隐藏基因或沉默基因。本文综述了采用生物合成途径激活合成隐藏天然产物的途径，包括外部条件诱导、共培养及基因组方法，如基因组挖掘、表观遗传修饰及工程途径激活。 引言 天然产物药物在各种疾病的治疗中一直发挥着重要作用，次级代谢产物是新型治疗剂和药物先锋，尤其是作为免疫抑制剂，或应用于对癌症、传染性疾病及脂肪代谢紊乱的治疗。天然产物是调节病原菌的毒性因子和解释生物学靶标的重要工具，源于自然界的天然产物的特点是它们多样的独特结构，说明它们的开发潜能、选择性及固有的绑定蛋白质折叠特性。 开发微生物天然产物的常用传统方法包括采样、培养菌株、提取、活性筛选及结构确定，这些方法常因为较高的重复率而失败。但对微生物基因组的不断研究为天然产物生物合成的原理提供了宝贵依据，同时为发现和合成新型化合物提供了很好的供选方案。在微生物体内，编码次级代谢产物生物合成的基因是成簇的，这个发现利于后续研究。且已对控制两大类天然产物生物合成的PKS和NRPS途径进行了深入研究。 近来基因组测序工程已发现采用传统开发方法，微生物体的生物合成潜力有待大力开发，实际上在各种细菌和真菌中，编码生物合成酶的基因组数量已明显超过了生物体已知的次级代谢产物，其中一个原因可能是仅表达了编码生物合成酶的少部分基因 ，因此只产生少数化学结构，这些沉默基因以“隐藏的”或“孤立的”的方式存在，需通过诱变来激活假定的编码潜在生物活性结构的基因。但并不是所有沉默基因都是必须的，由于产率低、大量的代谢背景及不利的培养条件等原因，导致仍未发现相应的代谢产物。因此，微生物次级代谢基因组的系统研究可能代表着向微生物体天然生物合成能力探索的第一步。 一 改变培养条件、外部刺激及渗透压来开发微生物资源 我们已经知道在发酵学发展的初期，对微生物刺激代谢产物的数量起关键作用的是培养限制性因素，即便是培养基的微小变化，不仅会影响到某种化合物的数量，且会影响到微生物体产生一般代谢产物的范围（如图1）。尤其是在抗生素领域，已在生产率和产物范围的最优化方面做了很多研究。控制营养和环境因素能促进次级代谢产物的生物合成，也利于新型天然产物的发现。Zeeck和他的同事们已阐述了提高微生物代谢产物的发酵参数，并为此方法创造出专业术语“OSMAC”（一株菌株多种化合物的意思）。通过改变易受影响的培养参数，例如培养基组分、通风状况、温度及培养皿的形状等，上述参数的改变可能在真菌和放线菌中筛选到新型天然产物。现有研究已发现此菌株在传统培养条件下仅能产生一种酮类化合物，但在不同培养条件下培养赭曲霉菌株，结果产生了15种天然产物。 Fig. 1 Influence of culture conditions, external (chemical) cues, and stress on natural product biosynthesis. Paranagama等采用类似方法研究两种植物共生菌的次级代谢产物，在制备培养基时用蒸馏水代替自来水，即诱导产生了6种新的代谢产物；培养毛壳菌属菌株时，将固体培养基变为液体培养基，代谢产物由根赤壳菌素7变为毛壳色菌素 A 8。 同时对影响次级代谢产物生物合成的各种培养条件和压力条件的变化进行了深入研究。由产生球番石榴素的球壳孢菌经紫外诱变得到的菌株真菌F24 201y，在肉汤培养基中化学筛选时，发现了14个大环内酯类化合物。三环唑是DHN生物合成抑制剂，能抑制球壳孢菌素的产生。此真菌在补充有三环唑的培养基中培养时，仍会产生相同的化合物。结果表明：酶抑制剂会影响生物合成途径的激活。 Ayer等人在几年前报道了杰多霉素B 10的分离，杰多霉素B 10是链霉菌ISP5230经热激后产生的一种糖基化抗生素，37℃条件下，在含有半乳糖-异亮氨酸的培养基中产生的代谢产物是含有糖苷配基的杰多霉素；当温度升至42℃时，代谢产物是杰多霉素B。后续实验揭示了更一步的影响参数，正如乙醇处理和噬菌体侵染，短时间的热激能产生更多的杰多霉素B。最近发现杰多霉素B是激光激酶B的抑制剂，因此，杰多霉素B很有希望成为新型抗癌药物。 Crews等向培养基中添加了药效较大的F-肌动蛋白抑制剂后，从芦笋茎枯病菌中分离得到三种新的球毛壳菌素类似物。 在实验室中缺乏微生物产生代谢产物的条件下培养微生物时，应该考虑到微生物的特殊环境条件要