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安莎类抗生素是一类主要由放线菌产生的,结构独特、具有广泛生理活性的Ⅰ型聚酮类大环内酰胺。其生物合成起始单元是3-氨基-5-羟基苯甲酸(3-amino-5-hydroxy benzoic acid,AHBA)。AHBA通过莽草酸途径的分支途径氨基莽草酸途径合成,其中催化最后一步反应的AHBA合酶基因有较高的保守性和特异性,很早就被用作探针筛选安莎霉素的生物合成基因簇。为了寻找新安莎类抗生素,本研究以AHBA合酶基因为筛选目标,通过多轮PCR并反复验证,从350株放线菌(主要是小单孢菌)中筛选到10株AHBA合酶基因阳性菌株,经过16S rDNA鉴定,全部为小单孢菌。
选取AHBA合酶基因分歧较大的NS0172,NS0208,FXY411,FXYA29,HK160111分别构建Fosmid基因组文库,以AHBA合酶基因为探针筛选Fosmid文库,通过步移筛选,从每个文库中得到几个可能与安莎霉素合成相关的重叠克隆。通过454高通量测序对阳性fosmid进行测序,结合随机亚克隆测序结果进行拼接,得到5个基因簇序列;运用生物信息学的手段对基因簇序列进行了开放阅读框的预测和功能推测,发现5个基因簇中都含有AHBA合成相关基因、PKS基因。其中NS0172菌株中的基因簇Nam以及HK160111中的基因簇Ham含有AHBA合成所需所有基因,完整的PKS基因和酰胺合酶基因,初步推断这两个基因簇合成5酮安莎霉素。另外三个基因簇都不完整,但相互之间相似性很高,且与Micromonospora sp.L5中的一个基因簇非常相似,很可能合成同类化合物。
为了研究酰胺合酶的体外功能,我们还将两个不同基因簇来源的酰胺合酶基因natF和tam15在大肠杆菌中进行了异源表达。通过表达条件优化,获得了可溶性蛋白,为研究酰胺合酶结构与功能的关系、探究酰胺合酶催化聚酮链的释放和酰胺键形成机理奠定了基础。
通过基因水平的筛选获得潜在的安莎霉素产生菌,结合高通量测序技术,可以快速高通量地获得潜在的安莎霉素合成基因簇,根据序列推测所编码化合物的新颖性,为进一步发现新安莎霉素提供指导,同时也能为安莎霉素的组合生物合成提供素材。