絲狀真菌具有強(qiáng)大的次級代謝產(chǎn)物合成能力，可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、具有廣泛生物活性的化合物。目前，許多絲狀真菌的次級代謝產(chǎn)物或其衍生物都已被開發(fā)成重要藥物應(yīng)用于臨床中，包括青霉素、他汀類降血脂藥物和抗真菌藥物棘白菌素。探索絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物的生物合成機(jī)制，對于進(jìn)一步挖掘次級代謝產(chǎn)物資源和開發(fā)新型藥物具有重要意義。
青島能源所呂雪峰研究員帶領(lǐng)的微生物代謝工程研究組長期從事絲狀真菌天然產(chǎn)物生物合成研究，尤其是在土曲霉工業(yè)生產(chǎn)衣康酸和他汀類藥物方面做了大量應(yīng)用導(dǎo)向的代謝工程研究工作（Microb Cell Fact. 2014a, 2014b；Metab Eng. 2017； Biotechnol J. 2018；ACS Synth Biol. 2019）。與此同時(shí)，該研究組還圍繞絲狀真菌天然產(chǎn)物基因組挖掘和生物合成機(jī)制展開了系統(tǒng)的探索性研究，于近期在土曲霉中發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)雜、新穎的絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成及調(diào)控機(jī)制，發(fā)表在Angew Chem Int Ed Engl期刊上（Angew Chem Int Ed Engl, 2020，DOI: 10.1002/anie.201915514）。
圖1. 兩個(gè)獨(dú)立基因簇通過多層級轉(zhuǎn)錄調(diào)控協(xié)同合成目標(biāo)天然產(chǎn)物
絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成過程中一般是由核心酶（聚酮合酶PKS、非核糖體多肽合成酶NRPS和萜烯環(huán)化酶TCs等）負(fù)責(zé)合成化合物骨架，然后由其他輔助酶進(jìn)一步修飾，這些酶的編碼基因通常都集中位于同一個(gè)基因簇內(nèi)。該研究組基于化合物結(jié)構(gòu)分析、轉(zhuǎn)錄組分析和體內(nèi)基因敲除驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由位于兩個(gè)獨(dú)立基因簇中的四個(gè)核心基因（1個(gè)還原型PKS、2個(gè)非還原型PKS和1個(gè)NRPS-like）共同參與負(fù)責(zé)合成一類含有6/6/6/6的稠環(huán)骨架（6/6/6/6 tetracyclic system）的新化合物azasperpyranones，這有利于增加化合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生物活性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過體內(nèi)基因敲除和體外酶學(xué)驗(yàn)證，對兩個(gè)基因簇進(jìn)行了功能分析，系統(tǒng)解析了該類化合物的生物合成途徑。同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)獨(dú)立的基因簇之間雖然存在空間距離，但是存在一種由三個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子介導(dǎo)的多層級轉(zhuǎn)錄調(diào)控，這使得它們能夠相互協(xié)調(diào)共同參與化合物的合成。
圖2. 提出的生物合成途徑
這是首次在絲狀真菌中解析兩個(gè)獨(dú)立基因簇、四個(gè)核心基因共同合成一個(gè)次級代謝產(chǎn)物，也是首次發(fā)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立基因簇在多層級的協(xié)同調(diào)控機(jī)制下共同作用。該發(fā)現(xiàn)對于研究絲狀真菌合成復(fù)雜化合物的生物機(jī)制具有重要意義，為真菌次級代謝產(chǎn)物生物合成途徑解析和新型天然產(chǎn)物基因組挖掘提供了新思路。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。（文/圖 黃雪年 唐慎）
文章鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915514
1. Xuenian Huang#, Wei Zhang#, Shen Tang#, Suhui Wei, Xuefeng Lu*, Collaborative Biosynthesis of a Class of Bioactive Azaphilones by Two Separate Gene Clusters Containing Four PKS/NRPSs with Transcriptional Crosstalk in Fungi. Angew Chem Int Ed Engl, 2020，DOI: 10.1002/anie.201915514
