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中国科大学植物钻探所解析首要真菌霉素合成路

发布时间:2019-07-14 06:44编辑:科学浏览(51)

    病原真菌一方面可引起果实腐烂造成巨大的经济损失,另一方面会产生真菌毒素威胁人类健康。近年来,真菌毒素诱发的食品安全问题越来越受到世界各国关注。由扩展青霉(Penicillium expansum)产生的棒曲霉素是造成果蔬及其加工制品污染的重要真菌毒素,然而棒曲霉素生物合成的分子基础及其调控机制并不清楚。

    由真菌产生的聚酮类次生代谢产物——棒曲霉素是造成果实及其加工产品污染的重要真菌毒素,对人和动物都具有毒性,给消费者的身体健康带来巨大威胁。因此,解析真菌中棒曲霉素生物合成的分子基础,并阐明其合成途径及调控机制,对创制果实采后棒曲霉素防控技术至关重要。

    中科院植物所解析重要真菌霉素合成途径

    真菌作为自然界第二大类生物,是天然药物创制的重要来源。然而,大量真菌基因组测序表明,真菌中超过90%的次级代谢产物合成基因簇处于沉默状态,极大地限制了新代谢产物的发现及其合成机制研究。中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室尹文兵课题组针对真菌中大量基因簇沉默的问题,长期从事从基因到次级代谢产物的研究,主要方向包括真菌次级代谢产物激活、生物合成及其调控机制研究,近一年来取得了如下几项系统性和原创性的成果:

    金莎娱乐,中国科学院植物研究所田世平研究组对两种青霉菌(扩展青霉P. expansum,能侵染多种不同种类的果实;意大利青霉P. italicum,只侵染柑橘类果实)进行了全基因组de novo测序,分别获得了33.52 Mb和28.99 Mb的高质量基因组草图。比较基因组学分析发现,P. expansum 的次生代谢基因组群非常发达,包含55个次生代谢基因簇,数量相当于P. italicum 的2倍。进一步研究发现,P. expansum 中含有一个完整的棒曲霉素合成基因簇,该基因簇由15个基因组成,编码11个催化酶、3个转运蛋白和1个特异性转录因子。基因敲除实验证明PePatLPePatK 在棒曲霉素合成途径中起到关键作用。与之相比,P. italicum 基因组仅含有3个棒曲霉素合成相关基因,因此不能产生棒曲霉素。

    中国科学院植物研究所田世平研究组长期从事果实采后病理学研究。研究团队前期从扩展青霉(Penicillium expansum)中鉴定到一个含有15个基因的棒曲霉素合成基因簇,证明了该簇中基因对棒曲霉素合成的调控作用,揭示了棒曲霉素生物合成的分子基础,并发现响应环境pH信号的转录因子PePacC能通过调控该基因簇中基因表达控制棒曲霉素合成。近期,研究团队在此基础上,利用基因敲除、突变株底物饲喂、蛋白异源表达和体外催化等方法,明确了棒曲霉素生物合成途径中8步反应的催化酶及其编码基因。研究人员基于分子遗传学和生物化学证据,明确了棒曲霉素生物合成途径中第4步反应的产物为龙胆醛,而不是间羟基苯甲醛,解决了长期以来在此步反应上仅基于化学产物推断形成的争议。同时,研究人员还通过对棒曲霉素合成基因簇编码的全部15个蛋白及相关调控因子PeLaeA、PeVeA和PeVelB的亚细胞定位,初步确定了合成途径中各催化酶、转运蛋白和调控蛋白的亚细胞分布,勾勒出了棒曲霉素在扩展青霉胞内生物合成及转运路径的分子网络。

    记者从中国科学院植物研究所获悉,该所研究员田世平带领的团队通过多种途径,阐明了污染果实的一种重要真菌毒素——棒曲霉素在扩展青霉中生物合成的分子基础、合成途径及调控机制,为创制果实采后棒曲霉素防控技术具有重要意义。相关成果日前发表在国际学术期刊《环境微生物学》。

    1)使用表观遗传策略挖掘真菌天然产物多样性

    该研究结果为进一步解析棒曲霉素生物合成调控的分子机制以及青霉属真菌寄主专化性等生物学问题奠定了基础。

    该研究不仅为深入认知真菌中棒曲霉素生物合成的分子基础、转运路径和调控网络提供了分子证据,还为研发精准高效的控制技术提供了新思路。研究成果对实现从源头上控制棒曲霉素污染,确保果实及其加工产品的品质安全具有重要意义。

    研究人员在前期的工作中,从扩展青霉中鉴定到一个含有15个基因的棒曲霉素合成基因簇,揭示了棒曲霉素生物合成的分子基础和部分调控机制。近期,研究团队基于分子遗传学和生物化学证据,明确了棒曲霉素生物合成途径中第4步反应的产物为龙胆醛,而不是间羟基苯甲醛,解决了长期以来在此步反应上仅基于化学产物推断形成的争议。

    尹文兵团队通过对植物内生真菌无花果拟盘多毛孢中的表观遗传调控因子进行定向遗传敲除,发现该菌的次级代谢产物指纹图谱发生了巨大变化,从中分离鉴定得到了15个新的聚酮类天然产物,并通过同位素示踪法阐释了产物Ficiolide A的合成途径。

    相关研究成果近期作为封面文章发表在植物病理学学术期刊Molecular Plant-Microbe Interactions上。田世平研究组的副研究员李博强和博士毕业生宗元元是该论文的并列第一作者。研究得到了科技部“863”项目和中科院工业基地方向性项目的资助。

    该研究于3月13日正式发表于国际学术期刊Environmental microbiology。田世平研究组研究员李博强,以及博士研究生陈勇、已毕业博士生宗元元为论文共同第一作者,田世平为论文通讯作者。美国芝加哥大学教授龙漫远对研究工作给予了指导。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会资助。

    同时,研究人员还通过对棒曲霉素合成基因簇编码的全部15个蛋白及相关调控因亚细胞定位,初步确定了合成途径中各催化酶、转运蛋白和调控蛋白的亚细胞分布,勾勒出了棒曲霉素在扩展青霉胞内生物合成及转运路径的分子网络。

    在该研究中,尹文兵团队通过对遗传转化技术进行改良,大大缩短了真菌转化的周期,该研究为新天然产物的发现提供了高效的方法。这一研究成果发表于Organic Letters(2016,18 , 1832–1835)。尹文兵课题组助理研究员吴广畏为文章的第一作者,尹文兵为文章通讯作者。该研究得到了中科院“百人计划”专项经费和国家自然科学基金的资助。

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    据了解,棒曲霉素又称展青霉素,是由青霉和曲霉等真菌产生的聚酮类次生代谢产物。毒理学研究显示,棒曲霉素对人和动物都具有毒性,能够导致人的呼吸和泌尿等系统的损害,以及神经麻痹、肺水肿、肾功能衰竭等。棒曲霉素主要污染果实及其加工产品,给消费者的身体健康带来巨大威胁。

    2)阐明重要生防菌淡紫拟青霉中脂肽类抗生素leucinostatins的生物合成途径

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    相关论文信息:DOI:10.1111/1462-2920.14542

    尹文兵团队通过对淡紫拟青霉进行基因组测序并结合比较基因组学分析,预测了脂肽类抗生素leucinostatins的合成基因簇。再通过对候选基因的遗传敲除,鉴定了leucinostatins的合成基因簇,并且解析了其合成途径。这一工作对防治植物线虫等多种病虫害药物的开发奠定了理论基础。

    扩展青霉和意大利青霉的形态、病害症状和基因组特征

    棒曲霉素的生物合成途径和调控机制。A、棒曲霉素合成基因簇编码蛋白的亚细胞定位;B、突变株底物饲喂解析棒曲霉素生物合成途径;C、P. expansum中棒曲霉素的生物合成、转运和调控模式图。

    相关研究结果发表于国际刊物PloS Pathogens: e1005685)。尹文兵和中国农业科学研究院研究员谢丙炎为文章的并列通讯作者,尹文兵课题组博士刘志国、农科院博士王刚和林润茂为文章并列第一作者。

    3)率先将真菌糖基转移酶应用于天然产物成药性改善

    利用糖基化对活性天然产物修饰是改造其成药性的一个有效手段,目前常常利用真菌作为宿主进行生物转化来获得,但至今还未从真菌中发现起作用的糖基转移酶。尹文兵团队利用生物转化导向的RNA-Seq技术从冻土毛霉中发现并鉴定了第一个糖基转移酶,并成功表达获得可溶性蛋白质。研究发现,该酶具有广泛的底物杂泛性和专一的立体选择性,主要以UDP-葡萄糖为糖基供体,可接受73个酚类物质为主的药物骨架化合物作为底物,进行氧糖基化反应,主产物的产率可达到60%以上。值得关注的是该酶对于含有异戊烯基的酚类底物的催化活性具有独有的专一性,糖基化的位置主要发生在异戊烯基邻位的羟基基团上,说明该酶催化的复杂性。微生物所研究员吴边对该结构进行了计算机模拟,对其催化的特殊性进行了解释。

    该研究结果发表于应用化学期刊Advanced Synthesis & Catalysis。尹文兵和北京大学药学院研究员叶敏为文章的并列通讯作者,尹文兵课题组冯金和张鹏为文章的并列第一作者,该研究得到了中科院“百人计划”专项经费和国家自然科学基金的资助。

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    图1:表观遗传策略挖掘真菌天然产物多样性

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    图2:基因组挖掘鉴定并解析抗生素leucinostatin的生物合成途径。测序的两株淡紫拟青霉;leucinostatin的生物合成基因簇;leucinostatin的结构。

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    图3:第一个催化酚类物质真菌糖基转移酶的发现及催化复杂性

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