非核糖体肽合成酶体系设计和改造研究进展

自然界中,微生物合成肽类化合物一般通过核糖体途径合成核糖体肽,而非核糖体肽(nonribosomal peptide,NP)是一类不通过核糖体途径、由非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase,NRPS)催化合成的肽类化合物。非核糖体肽合成酶是一种模块化、线性化组装的酶,以类似流水装配线的方式发挥作用。它们产生的次生代谢物多肽通常具有非常复杂的结构,其中有许多是具有重要药理意义的天然产物。NRPS的模块化性质导致其可以通过模块重组实现产物多样化,基于这个发现,科学家们对其进行了深入研究,以期通过人为改造和重构等方式产生更多更有价值的产物。该文集中介绍近年来通过NRPS人工改造和重组等方式生产多肽的研究,为未来发现和生产新的生物活性化合物提供思路。

差向异构结构域在非核糖体肽合成中的作用

差向异构结构域作为非核糖体肽合成酶体系中重要组分,将L型氨基酸异构化为D型氨基酸,赋予了非核糖体肽独特的生物活性和对蛋白酶的抵抗力。本文结合近期研究阐述了差向异构结构域的蛋白结构特征和异构化过程中的去质子化/再质子化机制,此外还对差向异构结构域在非核糖肽合成中的调控作用进行了总结,展望了非核糖体肽合成酶的未来发展趋势,希望为非核糖体肽合成酶的工程改造和新药的研发提供理论基础和依据。

长枝木霉菌非核糖体肽合成酶基因启动子NP249的克隆及功能验证

Peptaibols是由真菌非核糖体肽合成酶(NRPS)合成的多肽抗菌素,能够抑制多种病原菌,促进植物生长和诱导细胞凋亡。为了深入探究木霉菌非核糖体肽类抗菌素合成的调控机制,为通过基因工程来提高Peptaibols产量提供帮助。通过设计引物,克隆长枝木霉菌非核糖体肽合成酶基因NP249的上游启动子区域,然后构建到一个具有绿色荧光蛋白基因(GFP)融合表达载体,验证基因NP249的启动子。以长枝木霉菌总DNA为模板,使用引物249-1B和249-4X,通过PCR技术扩增克隆到了NRPS的启动区域,全长1 204 bp。通过启动子NP249替代载体上GFP启动子,分别用BamHⅠ和XmaⅠ酶切pCX-62载体和启动子片段,T4连接酶连接,构建GFP融合载体pCX-62-NP249-GFP。通过限制性内切酶介导的转化技术转化(REMI)木霉菌原生质体,得到的转化子转到含潮霉素的培养基上进行筛选,得到潮霉素抗性转化子Z249,进一步通过荧光显微镜检测转化子,转化子Z249能检测到GFP荧光。克隆到的启动子能启动GFP表达,具备启动子功能。

非核糖体肽合成酶结构研究进展

非核糖体肽合成酶（nonribosomal peptide synthetases,NRPS）是一类多功能蛋白质复合体,能识别、激活、转运氨基酸底物并按特定顺序合成非核糖体肽（NRPS）.NRPS构成天然生物活性产物的一大类,是细菌和霉菌等的次级代谢产物,具有结构多样性和重要的药用价值.目前发现的NRPS在微生物体内可能作为抗生素、铁载体、毒素、含氮物质的储存场所及调节生长等的信号分子等发挥各种功能[1],而其医药方面的开发应用主要集中于抗生素（如达托霉素）、抗癌药物（如博来霉素）、抗真菌药和免疫抑制剂（如环孢菌素A）等方面.

非核糖体肽类化合物的组合生物合成策略研究进展

很多微生物能够利用非核糖体肽合酶合成结构复杂、种类繁多、生物活性多样的小分子肽类化合物。组合生物合成是对控制抗生素生物合成的基因簇进行阻断、置换、重组或异源表达等遗传操作,从而达到利用生物技术和环境友好的手段构建化合物衍生物库的目的。组合生物合成在增加天然活性化合物的数量,改良天然化合物的生物学活性,提高天然化合物的产量,开发创新药物和酶制剂等领域都具有重要应用价值。近年来,非核糖体肽的组合生物合成研究取得了重要进展。本文就非核糖体肽合酶的组合生物合成研究策略,从模块定点突变、替换、插入、删除、模块"洗牌"与异源表达等角度进行了综述。

非核糖体肽合成酶的末端硫酯酶与多肽环化

非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetases,NRPSs)能以多载体巯基化模板机制合成各种结构复杂、种类繁多的次生代谢非核糖体环肽.根据环肽末端环化的方式,可分为两大类:大环内酯型和内酰胺型.负责非核糖体环肽最终环化的硫酯酶(thioesterase,TE)属于α/β水解酶超家族.该家族包括:脂酶、蛋白酶、酯酶等,其共有特征是含有保守的催化三元件(Ser-His-Asp),起到终止反应和释放产物的功能.TE具有区域定向性(regiospecific)、化学定向性(chemospecific)及立体定向性(stereospecific)的特点,在非核糖体肽(nonribosomal peptide,NRP)的合成反应中具有决定性作用,直接影响到最终环肽的生成.同时,TE由于其特有的环化和水解的双重活性,在体外的线性多肽环化中越来越受到众多学者的关注.综合国内外相关文献,本文着重从TE介导下的产物释放机制和影响因素两个方面综述非核糖体末端硫酯酶的研究进展及其应用.

芽孢杆菌非核糖体肽的研究进展

芽孢杆菌产生的非核糖体肽主要有脂肽、多肽、线状聚酰胺物等类型,其生物合成是通过“硫模板多聚酶机制(th iotemp late mu ltienzym e m echan ism)”的多功能酶复合系统进行的,并经甲基化、酰基化、糖基化、杂环化和环化等进一步修饰而成。特殊的生物合成机制决定了非核糖体肽具有氨基酸组成及分子形式复杂、分子量较小、理化性质稳定、生物活性多样等特点,同时表现出了对病原微生物不同的抑、杀菌机制。非核糖体肽作为人类丰富的新型抗菌药物资源,在植物病害的生物防治、人类和动物疾病的治疗等方面显示了诱人的前景。研究芽孢杆菌及其产生的非核糖体肽在蚕业上的应用,有利于绿色、生态蚕业的发展。

非核糖体肽合成酶基因腺苷酰化结构域序列克隆及分析

微生物许多非核糖体肽类次生代谢产物主要是由非核糖体肽合成酶(NRPS)催化合成。参考Gontang发布的非核糖体肽合成酶(NRPS)通用引物设计扩增NRPS腺苷酰化结构域基因序列的特异引物,从海洋链霉菌L1的基因组DNA中扩增获得一个715 bp的NRPS基因序列。测序结果及比对分析表明该片段属于NRPS腺苷酰化结构域部分序列。对其拟翻译的氨基酸序列组成成分、理化性质进行分析,显示其包含AFD class I超基因家族核心结合区,为NRPS腺苷酰化结构域(A结构域)所在区域。对氨基酸序列的二级结构预测和三级结构模拟,发现与数据库中肠菌素合酶F组分的结构相似。为后续研究A结构域的特异性及完整NRPS基因簇克隆提供了参考。

非核糖体肽合成酶(NRPSs)作用机理与应用的研究进展

许多微生物能利用非核糖体肽合成酶(NRPSs)合成结构复杂、种类繁多的的生物活性肽。非核糖体肽因其独特的理化特性和药理学特性已被广泛关注,极具商业开发潜力。NRPSs由多个模块组成,模块的不同空间排列顺序决定其多肽产物的氨基酸序列特异性。NRPSs以多载体巯基化模板机理进行多肽合成,其底物特异性由腺苷酰化结构域和缩合结构域共同实现。目前,人们已经利用天然的NRPSs、某些特定结构域、将已知NRPSs的模块或特定结构域进行组合甚至杂合组合而构建成的新的NRPSs来合成目的多肽。

非核糖体肽合成酶缩合结构域基因片段克隆

从大连渤海海域筛选出1株放线菌L1,结合形态观察、生理生化实验和16S rDNA分子鉴定,确定L1属于链霉菌属球孢链霉菌(Streptomyces globisporus)。根据GenBank发布的非核糖体肽合成酶(NRPS)序列设计引物,从放线菌L1的基因组DNA中扩增获得NRPS基因片段。测序结果及比对分析表明该片段属于NRPS缩合结构域部分序列。三维建模显示其结构呈V型,包含缩合结构域核心序列,与数据库已知结构相一致,可以推断该克隆片段为NRPS缩合结构域基因片段,为后续深入研究缩合结构域特异性与相关NRPS功能提供基础。

芽孢杆菌中新型非核糖体肽类抗菌活性物质的发掘、分离鉴定及特性研究

本研究旨在基于对细菌次级代谢产物的筛选,寻找新型非核糖体肽类抗菌物质。通过对烟台沿海地区的土壤、海水及近海常见海洋生物中的细菌进行培养,分离纯化得到细菌的单克隆,以大肠杆菌(E.coli)ATCC 25922和金黄色葡萄球菌ATCC 29213为指示菌进行初步筛选,以耐多黏菌素和碳青霉烯E.coli B2(blaNDM-5+mcr-1)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)T144作为指示菌对有活性的细菌进行二次筛选。通过提取基因组进行PCR扩增产物测序比对,确定活性菌种属。采用有机萃取法对细菌的次级代谢产物进行萃取,通过凝胶层析和制备液相色谱进行纯化,利用分析型液相色谱进行纯度检测,进—步利用质谱对纯化后的抗菌活性物质进行结构鉴定。测序结果表明,活性菌属于解淀粉酶芽孢杆菌种,将其命名为解淀粉酶芽孢杆菌9-14(活性菌9-14)。抑菌试验结果表明,活性菌9-14的代谢产物对金黄色葡萄球菌ATCC 29213、MRSA T144、E.coli ATCC 25922和E.coli B2均具有高效抑制作用。活性菌9-14代谢产物是由氨基酸链组成的环状脂肽,属于伊枯草菌素的衍生物。对活性菌9-14代谢产物的生物学特性及其抑菌谱研究发现,活性菌9-14的代谢产物具有良好的热稳定性和酸碱稳定性,该抗菌物质经胰蛋白酶、胃蛋白酶、蛋白酶K和木瓜蛋白酶处理后抗菌活性没有明显减弱,具有较好的稳定性;该抗菌物质对所用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌同样具有抑制作用,对绿脓杆菌、肺炎克雷伯杆菌、粪肠球菌和蜡样芽孢杆菌均不表现活性。本研究得到一种新型的抗菌物质,以该抗菌物质为抗菌药物的前体,可为食品安全和疾病控制提供一定的参考依据。

非核糖体肽合成酶硫酯酶结构域研究进展

微生物可通过非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetases,NRPS)催化合成众多结构和功能多样的次级代谢产物——非核糖体肽(nonribosomal peptide,NRP)。NRPS装配线由多个模块组成,其中末端硫酯酶(thioesterase,TE)结构域由于其独特的水解和环化双重活性,对于产物释放及线性多肽的体外环化具有重要意义。本文主要对TE催化的产物释放机制以及其非常规的功能方面进行综述,为研发新的NRPs类化合物以及环肽的体外合成提供理论依据。

苏云金素合成基因簇中非核糖体肽合成酶基因thu2功能的初步分析

对苏云金素生物合成基因簇中编码非核糖体肽合成酶基因thu2进行基因缺失插入失活的研究。用温敏型质粒pHT304-TS构建基因thu2的插入缺失质粒pEMB1434,电转化苏云金芽胞杆菌菌株CT-43后,通过抗性筛选和PCR验证得到thu2基因同源双交换基因敲除突变株CT-43-22。HPLC(高效液相色谱,High Performance Liquid Chromatography)检测发现CT-43-22没有苏云金素特征吸收峰;用pHT304构建得到含有完整thu2基因的回补质粒pEMB1435,电转化CT-43-22后得到互补重组菌CT-43-22b,发现其恢复了苏云金素的产生。显微镜观察突变株和互补重组菌均能产生正常的晶体和芽胞。thu2的基因敲除和基因互补实验证明,thu2基因为CT-43苏云金素生物合成的必需基因,但对晶体和芽胞的形成没有影响。

非核糖体肽合成酶腺苷化结构域在E.coli中的表达及底物特异性分析

侧孢短芽孢杆菌(Brevibacillus laterosporus)S62-9产生的抗菌肽(Brevibacillin,BBL)是一种非核糖体多肽,由非核糖体肽合成酶催化合成。本研究所用基因是从侧孢短芽孢杆菌(B.laterosporus)S62-9质粒基因组中克隆的一个非核糖体肽合成酶的腺苷化结构域(Nonribosomal peptide synthetase adenylation,NRPS-A)基因,根据此NRPS-A基因构建了pET21b-N1、pET21b-B2、pET22b-N1、pET22b-N3四个重组表达载体。将以上重组表达载体分别转化E.coli BL21、E.coli Rosetta(DE3)和E.coli Origami B(DE3)受体细胞,并用1 mmol/L异丙基β-d-硫代吡喃半乳糖吡喃糖苷(IPTG)在16°C 200 r/min下进行诱导,将诱导产物用SDS-PAGE检测分析。结果显示,4种重组载体在E.coliBL21中均无表达,在E.coliRosetta(DE3)大量表达但均以包涵体形式存在,在E.coli Origami B(DE3)均表达,但只有pET22b-N3这一重组表达载体出现了可溶性融合蛋白。可溶性融合蛋白对赖氨酸有较高的腺苷化活性,表明该A结构域负责抗菌肽BBL中的赖氨酸的识别和上载。该研究结果不仅为其它NRPS-A域的可溶性表达提供了方法,同时为研究抗菌肽BBL的生物合成机制提供依据。

虫生真菌的非核糖体肽类毒素

非核糖体肽(non-ribosomal peptides,NRPs)是一类主要由氨基酸(包括特殊的或修饰过的氨基酸)及羟基酸组成的小分子化合物,它不在核糖体上合成,而是通过所谓的硫模板多聚酶机制(thiotemplatemultienzyme mechanism)的多酶复合系统合成的一类肽类次级代谢产物。NRPs的功能主要包括免疫抑制剂、抗生素、细胞增殖抑制剂、铁载体或离子载体等。虫生真菌产生的非核糖体肽毒素目前主要发现8种,即efrapeptin、环孢菌素(cyclosporin)、绿僵菌素(destruxin)、白僵菌素(beauvericin)、恩镰菌素(enniatin)、球孢交酯(bassianolide)、白僵交酯(beauverolide)和serinocyclin,本文介绍上述毒素的种类、结构、活性与作用机理,为相关研究者提供参考。

里氏木霉与黏绿木霉中非核糖体肽合成酶的生物信息学分析

为了更好地解析里氏木霉和黏绿木霉在次生代谢产物关键基因方面的差异,以非核糖体肽合成酶(NRPS)为例,通过antiSMASH预测网站对上述2种木霉开展次生代谢产物基因找寻。结果表明,里氏木霉中含有87个NRPS蛋白,而黏绿木霉中含有214个NRPS蛋白,后者明显高于前者;同时,利用ProtComp v9.0、PHD等生物信息学预测网站对上述木霉中NRPS蛋白进行亚细胞定位、理化性质以及二级结构等特征分析,明确2种木霉中NRPS蛋白具有以下共同特征:理论等电点多集中在5.01至7.00之间,不稳定性系数多集中在30.01至50.00之间,高达75%以上的蛋白质属于亲水性蛋白质,而二级结构组成特征则以α螺旋为主,转运肽情况尚未明确,保守结构域较多,亚细胞定位多集中在线粒体等。

嗜水气单胞菌非核糖体肽合成酶基因功能研究

非核糖体肽是微生物体内一类具有天然生物活性的次生代谢物,由非核糖体肽合成酶催化生成。而AHA2474和AHA2476是嗜水气单胞菌ATCC7966中两个编码非核糖体肽合成酶的基因。利用同源重组技术分别构建了AHA2474、AHA2476基因缺失株,并对其生理特性进行测定。结果表明,与野生株相比,缺失株的溶血性和胞外蛋白酶活性均显著增强,而产铁能力明显减弱;在缺铁条件下,缺失株的生长能力较弱,补充铁离子后又能恢复生长。同时在过氧化氢应激下ΔAHA2474菌株具有更大的耐受性。以上研究结果提示AHA2474和AHA2476基因可能通过影响铁离子动态平衡过程来调控该菌的生理特性,同时也表明非核糖体肽在该菌致病性方面起作用,为探究该菌的致病机制及防治策略提供理论依据。

绿僵菌非核糖体肽合成酶的生物信息学分析

通过生物信息学的方法对绿僵菌非核糖体肽合成酶进行了分析.生物信息学分析表明:其一级结构并不保守;二级结构含有15个α螺旋结构、9个β折叠、多个无规则卷曲;三级结构可能有酰基激活酶、乙酰辅酶A绑定位点和腺苷一磷酸绑定位点结构域.三维建模表示在Swissmodel数据库中具有可靠的模型.理化性质分析表明其是稳定性的蛋白质.

全霉素生物合成途径中的非核糖体肽合成酶HlmE的功能研究

目的:非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase,NRPS)是二硫吡咯酮类化合物骨架合成的关键,本研究对全霉素(holomycin)生物合成途径中的NRPS HlmE进行酶学功能研究,以期为二硫吡咯酮类化合物生物合成途径的解析奠定基础.方法:利用原核表达系统表达NRPS HlmE,并通过亲和层析方法和快速蛋白质液相层析(fast protein liquid chromatography,FPLC)纯化仪器获得目的蛋白;利用高效液相色谱法(high performance liquid chromatography,HPLC)和基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱法(matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF MS)对HlmE的功能进行研究.结果:本研究成功在体外纯化得到高纯度HlmE,HPLC检测到了腺嘌呤核苷单磷酸(adenosine monophosphate,AMP)和半胱氨酰-AMP的产生,证明了HlmE中腺苷化(adenylation,A)结构域的活性;MALDI-TOF MS法证明HlmE具有挂载底物半胱氨酸的功能.结论:本研究纯化得到的NRPS HlmE可以活化并挂载底物半胱氨酸,为进一步研究NRPS的功能以及深入研究二硫吡咯酮类化合物的生物合成途径奠定基础.

非核糖体肽的生物合成研究进展

非核糖体肽(nonribosomal peptide,NRP)是由多种微生物通过非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase,NRPS)等催化合成的一类小分子多肽类次级代谢产物,具有抗菌、抗肿瘤、免疫抑制等多种生物活性,是一类重要的微生物药物,具有很高的临床应用价值。从目前已发现的小分子多肽类天然药物出发,综述了该类物质的生物功能、合成组装机制以及近年来在工程改造方面的进展,并提出了未来研究发展方向,对进一步通过组合生物合成等方式高效合成更多种类的小分子多肽类活性物质具有借鉴意义。