国外医药抗生素分册2014年11月第35卷第6期 ・研究进展・ 新技术在聚酮组合生物合成中的应用研究进展 黄传龙,谭树华’,顾觉奋 (中国药科大学生命科学与技术学院,南京210009) 摘要:本文综述了生物信息学软件、光交联技术、异源表达以及底盘细胞在聚酮组合生物合成中的应用。并尝试将其整 合为一粗略的开发思路,即“计算机虚拟设计一高通量技术筛选一(底盘细胞作宿2a)异源表达”。希望通过引入新技术,能进 一步提高聚酮组合生物合成的开发效率。 关键词:聚酮;组合生物合成;ClustScan;光交联;异源表达;底盘细胞 中图分类号:R98 文献标识码:A 文章编号:1001.8751(2014)06—0241—05 New Technologies in Polyketide Recombinatorial Biosynthesis Huang Chuan—long,Tan Shu—hua, Gu Jue—fen (Institute of Life Science and Technology,China Pharmaceutical University,Naming 2 1 0009) Abstract:Several new technologies-including bioinformatic soflwares,photocrosslinking,heterologous expression and cellular chassis,and their applications in polyketide recombinatorial biosynthesis,were introduced in this paper.We also tried to integrate these technologies into a new route for improving efifciency of the development of polyketide recombinatorial biosynthesis.that is“fictitious design in computer—}Ve“fying by high—throughput technologies--- ̄heterologous expression(by cellular chassis)”. Key words:polyketide; recombinatorial biosynthesis; clustScan; photocrosslinking;heterologous expression;cellular chassis 聚酮是天然产物大家族,在医药产业中有着重 三种思路如图l所示。 要地位,如常见的抗感染药物大环内酯类、免疫抑 为了排除不合理组合,科研人员开发了聚酮虚 制剂他克莫司,以及降血脂的他汀类等。而且聚酮 拟组合的软件,引入了交联技术来检测聚酮合成酶 可以通过组合生物合成,得到大量新结构的化合 fPKS)结构域间的匹配性。此外,组合途径向聚酮 物,因此具有很好的开发潜力。 产物的转化需借助异源表达。笔者在阅读相关文献 途径设计是组合生物合成的重要内容,理想的 的基础上,发现这几种技术分别适用聚酮组合的不 方式是通过“理性设计”直接得到预期产物,然而 同时期,可以尝试将其整合,粗略成为一条开发路 这目前很难。另一种思路是通过随机组合建立化合 径,如图2所示:计算机虚拟组合,在设计的同时初 物库,然后从中筛选有成药潜力的化合物,这种方 步排除一些不合理的选项一高通量技术(如光交联), 法虽然技术上没有困难,但会引入很多不合理的组 对途径进一步筛选、验证一异源表达,将设计出的 合,导致库的质量较低,筛选工作量很大。比较合 途径表达出产物。另外随着合成生物学的兴起,底 理的方法是二者的折中,即通过一定的理性指导, 盘细胞有望成为未来的异源宿主。 排除掉大多数不合理的组合,留下相对比较合理的 本文将就图2思路展开,分别对相应的虚拟组合 组合,再建库筛选,可以减少工作量,提高效率。 软件、交联技术、异源表达、基因组精简及底盘细 收稿日期:2014—09一l5 作者简介:黄传龙,在读研究生,研究方向:生物学专业。 .通讯作者:谭树华,教授,博士生导师,从事新药基因工程和蛋白质工程教学与研究。 顾觉奋,教授,研究生导师,从事微生物制药教学与研究。 国外医药抗生素分册2014年11月第35卷第6期 243 ..| — — ,‘ 曩 誊 慧 蓼 美蓦氍嚣 ~ 麓 嚣 ll嚣 港l ; 《 _嚣笺 糕 篝 t鬃 t 端 鬟誊 篇篇拳 。 ∞ 纂 l l曩 《蘩 q 雹 ——一墨嗣l _冒— b [C@@H】(C)C(=0)CC=C(C)C=CC=[C@@H](C)C(=0)C [C@@H】(0)C[C@@H】(0)C[C@@H】(0)CC=CC(:0) H二差 一一一 注:(a)是CompGen上cartoon窗口的截图,简单示意了雷帕霉素(黑色箭头)与阿维菌素(灰白色箭头)模块间的杂交组合, ×表示进 行组合,=表示得出组合结果;Co)是预测的相应杂交产物的结构, ̄SMILES格式给出;(c)是使用chemAxon显示的产物结构。 图4应用CompGen设计聚酮杂交(以雷帕霉素与阿维菌素为例)示意_4_ 主要在于反应条件的改进,从化学试剂到酶促反应再 优点是培养容易,增殖速度快,基因操作技术成熟; 到紫外光照,步骤更加简单,检测速率加快,尤其是 缺点是前体合成不足或者缺乏,产物的后修饰酶系 光交联,符合高通量微量、快速、大规模的特点。 缺乏【 ”。链霉菌由于是聚酮的天然产生菌,因此具 以结构域ACP(酰基载体蛋白)与KS(酮合成酶)的 有较好的翻译后修饰、前体合成酶系等,缺点是生 光交联简单介绍其过程[10】:首先ACP上的丝氨酸残 长周期较长,基因操作比较困难,而且自身的聚酮 基与pBpa(对苯甲酰苯丙氨酸)反应,生成ACP Ser一 合成系统可能会干扰异源聚酮(目的产物)的表达[111。 pBpa;然后将其与KS置于365nm紫外光下进行交联 异源表达的问题在于产量不够理想,转录调 反应,通过凝胶电泳检验分子量,可以判断是否发 控、条件优化可以在一定程度提高产量,如Stevens 生交联。图5t 。】为示意图,图611o ̄是Ye等的凝胶实验 等[12】综述了转录在E.coli异源表达聚酮中的应 结果分析。 用,另外他与Conway等还发现as 因子的存在可以提 3异源表达——途径转化为产物 高某些基因的表达量,过量表达0s 因子在一定程度 组合途径转化为聚酮产物需要借助异源表达。 上可以提高聚酮的产量【"]。但这种提高方式繁琐而 常见的异源表达宿主有E.coli以及天蓝色链霉菌 效果有限,而宿主性状的优良依然是决定产量的最 (S.coelicolor)、变铅青链霉菌(S.1ividans)等。E.coli ̄ 基本要素。近年来随着合成生物学的兴起,构建基 A B 因组精简的底盘细胞作为发酵工厂,逐渐成为更好 的选择【 4_l5]。 4异源宿主展望——基因组精简与底盘细胞 ACP ̄K¥ SH 底盘细胞是合成生物学家引用汽车的术语,底 @ +回一 回 盘是一辆车的基本,在此基础上可以安装其它部 注:(A)同源ACP与KS紫外光下发生交联,而非同源的则 件,造出不同功能的车;底盘细胞与此类似,它本 不能;(B)凝胶电泳检测分子量,判断是否发生交联。 身是一个精简的细胞,通过导入各种生物组件(比如 图5光交联检测ACP与KS相互作用的示意图【 0] 一条代谢途径中的酶1,使其具备不同的特性。 A B ∞ 墨 基因组精简是构建底盘细胞的途径,即通过各 喁 【工一【工- 种基因敲除手段,逐步去掉不必要的DNA片段, 黪 : ・ 最终得到一个无冗余的基因组。基因组精简的微生 _ 物,由于其代谢负担的减轻,通常表现出生长速 0l譬≥ AcpP iii ̄iil 4-z 度快、资源消耗少的特点rl5】,作为异源宿主用于发 酵,有望得到较高的产量和转化率。精简的基因组 注:FabB、FabF和FabH都是II型KS,与AcpPfII型ACP)亲缘 关系近,可以观察到交联;与ACP2(I型ACP)。 更加可控,基因操作将更加精准,外源基因表达受 图6不同类型ACP与KS交联后的凝胶实验结果【10] 抑制的情况也将大大减 ”】。另外,精简的基因组 244 World Notes on Antibiotics,2014,Vo1.35,No.6 稳定性提高,有助于防止生产菌株退化,比如删除 silico prediction of novel chemical structures[J].Nucleic Acids Res,2008,36(21):6882 [3] Zucko J,Starcevic A,Diminic J,et a1.From DNA sequences to chemical structures——methods for mining microbial genomic and metagenomic data sets for new natural 了转座相关序列,可以使自发突变率大大降低【 】。 目前用于基因组精简的微生物包括大肠埃希 菌、枯草芽孢杆菌、阿维链霉菌和酿酒酵母等。比 如 .coli K12,白2002年起经过几次基因组精简, products[J].Food Technol Biotechnol,2010,48(2):234 得到一系列编号MDS的菌株,精简率在1 5%左右 [1 7_。[4] Starcevic A,WOlf K,Diminic J,et a1.Recombinatorial 与此类似的还有日本的MGF(Minimum genome biosynthesis of polyketides[J].J Ind Microbiol Biotechnol, 2012,39(3):503 factory)计 ̄lJ[17]。Lee等[I8]对MDS42菌株进行了苏氨酸 发酵实验,发现其发酵能力比野生菌株提高了大约 83%;Komatsu 9]对阿维链霉菌进行精简,也发现 rfl S,GramajO HC,Menzella HG.Recombinant [5] Peiapproaches to large polyketide molecules as potential 其发酵产量比在原产菌或野生阿维链霉菌中有明显 的提高。由于底盘细胞的兴起时间还不长,目前较 少有将其应用到聚酮异源表达的例子,但其作为宿 主的种种优点对于聚酮的发酵也将同样适用,有助 于聚酮产量的提高。 5小结 他山之石,可以攻玉。本文简单介绍了软件、 光交联技术、异源表达以及底盘细胞在聚酮组合生 物合成中的应用,希望能借助生物信息学、高通量 技术以及合成生物学的进展,为聚酮类组合生物合 成的开发提高效率。 笔者发现这几种技术有内在联系,可以整合为 一条开发路径:即先用计算机虚拟组合,快速生成 大量组合方案;然后通过高通量技术,进一步对其 筛选、验证;最后通过异源表达,将途径转化为产 物,并设想以精简的底盘细胞作为异源宿主,借助 其在生长速率、转化率等方面的优势,得到较高的 产量,为聚酮组合合成的产业化铺平道路。 这其中,底盘细胞的研究还处于初级阶段,光 交联的高通量化也有待成熟,更多的高通量技术还 有待开发,软件预测的准确度也有待提高。希望本 文可以起到抛砖引玉的作用,希望聚酮的组合合成 走向产业化、为民众健康造福的一天早日到来。 参考文献 Blazic M,Starcevic A,Lisfi M,et a1.Annotation of the modular polyketide synthase and nonribosomal peptide synthetase gene clusters in the genome of Streptomyces tsukubaensis NRRL18488[J].Appl Environ Microbiol, 2012,78(23):8183 [2] Starcevic A,Zucko J,Simunkovic J,et a1.ClustScan: an integrated program package for the semi—automatic annotation of modular biosynthetic gene clusters and in drugs[J].Drug Discov Today Technol,2010,7(2):105 [6] Worthington AS,Rivera H,Torpey JW et a1.Mechanism— based protein cross—linking probes to investigate carrier protein—mediated biosynthesis[J].ACS Cheml Biol,2006, 1(1 1):687 [7] Schnarr NA,Khosla C.Trapping transient protein-protein interactions in polyketide biosynthesis[J].ACS Chem Biol, 2006,1(1 1):679 [8] Meier JL.Haushalter RW,Burkart MD.A mechanism based protein crosslinker for acyl carrier protein dehydratases[J]. 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