嘌呤化合物是一類重要的生命活性物質(zhì)，是細(xì)胞內(nèi)的能量載體、輔酶因子，也是遺傳物質(zhì)DNA和RNA的重要結(jié)構(gòu)組分。另外，嘌呤及其衍生物在食品添加劑、醫(yī)藥等方面也具有廣泛的應(yīng)用。次黃嘌呤是一種常見的嘌呤化合物，具有高活性的6-羥基功能團(tuán)。次黃嘌呤的衍生物，例如6-巰基嘌呤是重要的抗腫瘤藥物和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。由于嘌呤類化合物具有廣泛的生物活性和應(yīng)用價(jià)值，使得人們對(duì)于該類化合物的高效合成產(chǎn)生了濃厚興趣。
在絕大多數(shù)微生物中，嘌呤的合成途徑主要有從頭合成途徑和補(bǔ)救途徑。嘌呤的從頭合成途徑是以5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）和谷氨酰胺為前體，經(jīng)過(guò)10步反應(yīng)合成次黃嘌呤核苷酸（IMP），IMP再通過(guò)兩條支路分別轉(zhuǎn)化為腺苷單磷酸（AMP）和 鳥苷單磷酸（GMP）。同時(shí)，IMP也可以進(jìn)一步降解為次黃嘌呤。盡管嘌呤化合物的從頭合成途徑早已探明，但該合成途徑受到轉(zhuǎn)錄阻遏、轉(zhuǎn)錄衰減以及底物反饋抑制等不同層面的嚴(yán)密調(diào)控，天然狀態(tài)下難以積累。青島能源所生物基材料組群趙廣研究組近期在大腸桿菌內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了次黃嘌呤的高效合成，并利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和熒光定量PCR技術(shù)分析了嘌呤代謝途徑的合成調(diào)控機(jī)制。首先通過(guò)解除調(diào)控蛋白PurR的轉(zhuǎn)錄阻遏調(diào)控、關(guān)鍵酶定點(diǎn)突變緩解底物反饋抑制、提高嘌呤合成前體的積累，破壞IMP的分支代謝途徑等方法將次黃嘌呤的積累提高近10倍。在5L發(fā)酵罐水平次黃嘌呤積累達(dá)到791.54 mg/L。然而在次黃嘌呤發(fā)酵過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，副產(chǎn)物乙酸和黃嘌呤的積累顯著。為解決副產(chǎn)物的積累問(wèn)題，該課題組研究人員發(fā)現(xiàn)全局調(diào)控因子ArcA在嘌呤代謝調(diào)控中具有較好的效果，乙酸副產(chǎn)物的積累從8.40 g/L降低至1.21 g/L，而次黃嘌呤的產(chǎn)量達(dá)到1243 mg/L。
通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和熒光定量PCR技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)上述改造后，嘌呤合成操作子pur和乙醛酸循環(huán)途徑的基因表達(dá)水平顯著上調(diào)，而IMP轉(zhuǎn)化為AMP和GMP分支途徑的基因表達(dá)下調(diào)。乙醛酸循環(huán)是副產(chǎn)物乙酸的重要同化途徑，而且該循環(huán)沒有CO2的流失，乙醛酸循環(huán)的上調(diào)可能是降低副產(chǎn)物合成，提高碳源轉(zhuǎn)化率的重要機(jī)制。同時(shí)利用熒光定量PCR技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，全局調(diào)控因子ArcA不僅可以調(diào)控中心碳代謝途徑，例如TCA循環(huán)、糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、乙醛酸循環(huán)，還可以直接調(diào)控嘌呤操縱子的基因表達(dá)水平。該項(xiàng)研究不僅實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌內(nèi)次黃嘌呤的高效生物合成，還為嘌呤類衍生物及核苷的生物合成調(diào)控提供了理論依據(jù)。
該項(xiàng)研究成果發(fā)表在ACS Synthetic Biology期刊，相關(guān)系列研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省杰出青年基金、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目等的資助。（文/圖 劉敏 趙廣）
相關(guān)成果發(fā)表：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssynbio.9b00396
Min Liu, Yingxin Fu, Wenjie Gao, Mo Xian*and Guang Zhao*. Highly efficient biosynthesis of hypoxanthine in Escherichia coli and transcriptome-based analysis of the purine metabolism. ACS Synthetic Biology. DOI: 10.1021/acssynbio.9b00396
圖1 葡萄糖合成次黃嘌呤的代謝調(diào)控
