植物Ⅲ型聚酮合酶的研究进展

综述了近10年来从植物中克隆、鉴定的型聚酮合酶(PKS)的研究进展。型PKS即查耳酮合酶超家族,能催化生成一系列结构各异、具有不同生理活性、具有查耳酮合酶(CHS)基本骨架的植物次生代谢产物,对这些PKS的基因进行调控可用于合成一些难以化学合成的新型天然化合物。目前,国内对Ⅲ型PKS在药学领域的应用研究甚少,此研究对于活性成分的生物合成具有重要意义。

植物Ⅲ型聚酮合酶基因家族的分子进化分析

Ⅲ型聚酮合酶(type Ⅲ polyketide synthase,PKSⅢ)广泛存在于细菌、真菌和植物中,目前数据库中已积累了大量的序列资料。为了进一步了解植物Ⅲ型聚酮合酶基因家族的分子进化,以及其作为系统进化研究材料的可能性,选取了75条来自不同植物物种包括苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的PKSⅢ蛋白序列,用CLUSTAL X软件对其氨基酸序列进行了比对,并用邻位相接法构建了系统进化树。结果表明,尽管不同来源的PKSⅢ序列表现了很大的差异,但保守结构域CHS-like所包含的主要功能位点半胱氨酸(Cys184)、苯丙氨酸残基(Phe236和Phe286)、组氨酸残基(His335)、天冬酰氨残基(Asn369)在各植物物种中具有很好的保守性;同时发现,在植物PKSⅢ序列中多数的Cys位点均具有较好的保守性,而且蕨类植物PKSⅢ和单子叶植物PKSⅢ在Cys保守位点有很好的相似性;进一步构建分子进化树表明,PKSⅢ基因基本上首先根据功能而聚类,明显地划分为CHSs和non-CHSs两类,其次按照不同的植物物种聚类。

地衣型真菌皮革肾岛衣中1个Ⅲ型聚酮合酶基因的克隆与鉴定

该研究通过对皮革肾岛衣地衣型真菌转录组数据的分析,利用RT-PCR技术,首次克隆得到1个Ⅲ型聚酮合酶基因(NpPKS3),并分析该基因在不同培养基上的表达,以选择皮革肾岛衣地衣型真菌的最佳培养基,为研究NpPKS3基因功能奠定基础,并为异源表达皮革肾岛衣地衣型真菌的聚酮类化合物提供研究材料。结果表明:(1)NpPKS3基因(GenBank登录号MF351559)全长1 335bp,编码444个氨基酸,其产物为NpPKS3蛋白,在细胞质基质中发挥功能。(2)系统进化分析显示,NpPKS3基因编码的氨基酸序列与Ⅲ型聚酮合酶的csyB亚组聚为一支,推测该基因编码csyB类酶蛋白。(3)采用"一菌多产物"策略研究发现,NpPKS3基因在BMG培养基中表达能力最强,在BD培养基上表达能力最弱。

细菌Ⅲ型聚酮合酶研究进展

Ⅲ型聚酮合酶(PKS)被认为是结构最简单的聚酮合酶,这一类酶广泛存在于植物细菌和真菌中。随着基因组学的发展,细菌中Ⅲ型聚酮合酶引起越来越多的关注。Ⅲ型聚酮合酶在不同细菌中表现出不同的功能,其产物的结构和生物学活性也各不相同。对细菌Ⅲ型聚酮合酶的生物工程学改造也一直是研究的热点。综述了目前已经完成功能鉴定的细菌Ⅲ型聚酮合酶的研究进展,按照细菌Ⅲ型聚酮合酶产物的不同将其分为五类,并分别论述了各类细菌Ⅲ型聚酮合酶的结构、功能以及特点,对深入研究不同细菌Ⅲ型聚酮合酶以及进行生物工程学改造具有重要意义。

Streptomyces sahachiroi ATCC 33158中Ⅱ型聚酮合酶基因sahA的功能分析

以酮基合酶基因KSa的简并性引物对Streptomyces sahachiroi基因组进行扩增,发现除了已知的阿嗪霉素B生物合成基因簇以外,还存在一个潜在的聚酮合酶(PKS)基因sahA。对sahA编码的氨基酸序列进行同源性比对及进化树分析,结果表明,sahA属于Ⅱ型聚酮合酶基因家族,与合成孢子色素的基因亲缘关系较近。通过单交换中断sahA基因后,链霉菌孢子的颜色由铅灰色变为白色,而产孢时间、孢子的产量以及其抗紫外线的能力都没有变化,对抗生素阿嗪霉素B的产量也没有影响。初步证实这个潜在的Ⅱ型聚酮合酶基因sahA很可能与S.sahachiroi孢子色素的生物合成有关。

基于序列宏基因组学技术的土壤Ⅱ型聚酮合酶KS_α基因的挖掘

[目的]本文旨在挖掘土壤微生物宏基因组(environmental DNA,eDNA)中的Ⅱ型聚酮化合物酮基合成酶基因(ketosynthase alpha,KSα),并依据获得的KSα基因与化合物结构的关系初步预测其所在基因簇可能合成的Ⅱ型聚酮化合物种类。[方法]利用Ⅱ型聚酮合酶基因KSα保守区域设计简并引物筛选珠穆朗玛峰及峨眉山土壤宏基因组文库,对筛选得到的KSα基因片段进行测序,并与已知Ⅱ型聚酮化合物KSα基因、孢子色素基因的氨基酸序列用邻接法构建系统发生树,以大肠杆菌的fabB基因作为系统发生树的外群。[结果]总共筛选得到28个珠峰文库来源的KSα基因,11个峨眉山文库来源的KSα基因。将这些KSα基因的氨基酸序列与34种编码已知Ⅱ型聚酮化合物KSα基因和5种聚酮化合物孢子色素KSα基因的氨基酸序列构建系统发生树,结果显示许多eDNA来源的KSα基因与已知聚酮化合物的KSα基因的氨基酸序列相似性较低,并且除在不同Ⅱ型聚酮结构类型对应的KSα基因分支中均有分布外,有些eDNA来源KSα基因在系统发生树中形成了独立的一个分支。[结论]利用宏基因组学方法可以获得新的KSα基因,通过新基因与已知KSα基因的同源比对,可以预测新基因所合成化合物的新颖性,为新化合物的发现奠定基础。

利用同框敲除技术研究Ⅲ型聚酮合酶基因orf18的代谢产物

为了阐明Streptomyces sahachiroi ATCC 33158中Ⅲ型聚酮合酶基因orf18的功能,利用同源双交换的方法对该基因进行同框敲除,采用异位表达的方法进行了相应的回补实验。通过高效液相色谱及液相色谱-质谱联用分析发现基因orf18的敲除会明显降低发酵产物中苯甲酸盐的含量,回补该基因能够在一定程度上恢复苯甲酸盐的产量,表明orf18在原宿主中极有可能参与苯甲酸盐的生物合成。

真菌聚酮合酶基因的研究进展

由真菌产生的聚酮化合物是一类庞大的次级代谢产物,具有结构和功能的多样性。聚酮合酶是介导聚酮化合物合成的关键酶。大多数真菌聚酮合酶属于重复Ⅰ型PKS,其编码基因通常与聚酮化合物合成的其它相关基因成簇存在。作者论述了真菌聚酮合酶的特性及其基因克隆方法的进展,并对其在后基因组时代的研究进行了展望。

PKSI-AT结构域及在组合生物合成研究中的应用

Ⅰ型聚酮合酶(PKSI)的模块型分子结构组织方式非常适合于组合生物合成研究.结构域和模块通过二级组织方式构成了PKSI的催化单元,其它结构多肽则作为"支架".在"支架"上对结构域和模块两个水平进行突变、替换、插入、缺失等基因操作形成重组PKS,可以理性设计并获得复杂多样的新活性或高活性的聚酮化合物.利用PKSI进行组合生物合成以期获得新聚酮化合物的研究迄今已有约25年,但是目前仍不能够对PKS进行完美的理性设计,快速合成目标活性的新聚酮化合物.PKS中的酰基转移酶结构域的研究在PKS的组合生物合成研究中一直发挥着重要作用.本文结合本课题组的研究基础,对AT结构域的结构、功能及在组合生物合成研究中的最新研究成果作以分析总结.

查尔酮合酶蛋白表达技术、结构、活性和进化

查尔酮合酶(CHS)是类黄酮途径的首步关键酶,参与合成所有类黄酮和异黄酮物质,参与决定多种植物重要性状。NCBI已有2917条CHS序列登录和释放。单个物种基因组中的CHS普遍由基因家族编码,通过基因加倍而产生。CHS蛋白的表达技术目前均是基于大肠杆菌的原核表达,多采用Novagen公司的pET载体系统,最通行参数为37℃条件下1 mmol/L IPTG诱导3h,表达蛋白普遍采用His-Tag进行亲和纯化,采用质谱或免疫分析技术进行身份检测,通过对生化反应底物和产物的HPLC检测可以精确分析酶活。苜蓿等植物的CHS蛋白已完成X射线晶体衍射研究,获得了三维结构和活性位点构象的初步解析,并与植物Ⅲ型PKS超家族中的其它酶类进行了比较。CHS蛋白的催化活性中心含有一个Cys-His-Asn三联体,另外CoA结合通道和内部的起始/延伸/环化腔关系到CHS蛋白的底物特异性及聚酮化合物链延伸的长度。植物Ⅲ型PKS超家族中,其它酶的结构骨架和催化方式与CHS相似,但活性位点残基的变化可能会造成活性中心结构的改变,进而产生底物特异性、催化能力和产物种类的显著变化,是蛋白水平进化的根本动力。

Ⅱ型硫脂酶与次生代谢产物合成

Ⅱ型硫脂酶(type Ⅱ thioesterases,TEⅡ)属于α/β水解酶,含有保守的催化三元件(Ser-His-Asp),广泛存在于非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetases,NRPS)和聚酮合成酶(polyketide synthases,PKS)系中。与Ⅰ型硫脂酶(type Ⅰ thioesterases,TEⅠ)不同,TEⅡ作为一个独立的蛋白质行使硫脂键水解功能。以往的数据研究发现,合成途径中TEⅡ基因缺失导致聚酮(polyketides,PK)或非核糖体肽(nonribosomal peptide,NRP)的产量显著降低。本文通过对硫酯酶(thioesterases,TE)的聚类分析,显示序列同源性方面TE聚类成两个不同的进化枝,一个含有所有TEⅠ,第二个包含所有TEⅡ。对TEⅡ的多序列比对及结构分析,结果显示TEⅡ序列中的标记序列"GHSMG"为保守序列,结构的差异性导致TEⅡ功能的差异性,综合前期相关数据研究,对TEⅡ在生物合成中的功能途径进行了概括性论述,并对其今后在次生代谢物合成研究中的应用进行了展望,以期加深对TEⅡ的认识和理解。

月季新型PKSⅢ基因的生物信息学分析及原核表达

【目的】对月季Ⅲ型聚酮合酶基因(RcPKSⅢ)进行生物信息学和原核表达分析,为进一步探究该基因的催化功能奠定基础。【方法】以‘月月粉’花瓣为研究材料,从其基因组中筛选月季PKS基因(RcPKSs)家族成员,并对其进行生物信息学分析;利用MEGA软件对RcPKSs与其他植物PKS氨基酸序列进行系统发育分析;利用DNAMAN软件对RcPKSs和紫花苜蓿查尔酮合酶2(CHS2)基因进行序列比对分析;对RcPKSs和紫花苜蓿CHS2活性位点上的氨基酸残基进行比较,分析其催化特征;利用SWISS-MODEL对RcPKSs进行同源建模,并与紫花苜蓿CHS2蛋白三维结构进行比较。利用实时荧光定量PCR方法,分析RcPKSs和间苯三酚甲基化酶编码基因在‘月月粉’花蕾期、半开期和盛开期的表达模式;克隆RcPKSs基因全长,构建其原核表达载体pET-32a-RcPKSs,进行诱导表达,并对重组蛋白进行纯化。【结果】从‘月月粉’基因组中共鉴定出6个RcPKSs,生物信息学分析表明,RcPKS1、RcPKS2和RcPKS3为CHS基因,RcPKS4、RcPKS5和RcPKS6为新型PKSⅢ基因。系统发育分析表明,RcPKS1、RcPKS2和RcPKS3编码CHS蛋白,RcPKS4、RcPKS5和RcPKS6编码新型的非CHS蛋白。序列比对分析表明,RcPKS1、RcPKS2和RcPKS3蛋白与紫花苜蓿CHS2相似度均为72.16%,RcPKS4、RcPKS5和RcPKS6与紫花苜蓿CHS2相似度分别为67.52%,33.85%和32.73%。活性位点上氨基酸残基比较发现,RcPKS1、RcPKS2和RcPKS3活性位点上氨基酸残基均保守,RcPKS4氨基酸残基在起始口袋和延伸口袋处发生替换,RcPKS5和RcPKS6氨基酸残基均在延伸口袋处发生替换。对RcPKSs蛋白质结构的分析结果显示,RcPKS4、RcPKS5和RcPKS6蛋白质采用了几乎相同的αβαβα三维整体折叠形式。实时荧光定量分析表明,RcPKS4、RcPKS5和RcPKS6表达量在‘月月粉’花朵盛开期最高,间苯三酚O-甲基转移酶基因(POMT)、苔黑酚O-甲基转移酶基因1(OOMT1)和OOMT2表达量在盛开期最低。聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)结果表明,重组蛋白诱导并且纯化成功。【结论】鉴定了‘月月粉’新型RcPKSⅢ基因,该基因可能参与花发育调控过程。克隆了RcPKSs基因,并诱导表达获得了RcPKSs重组蛋白。

虎杖中一种新的2-吡喃酮合酶基因的克隆和功能研究（英文）

4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮(2-吡喃酮)及其衍生物是一类重要的植物次生代谢产物,具有抗虫、抗真菌等功能,在工业上可用于生产可再生化学平台间苯三酚和1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯. 2-吡喃酮合酶(2PS),一种Ⅲ型聚酮合酶(PKSs),是合成2-吡喃酮的关键酶.本研究以中药材虎杖(Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc)为材料,从中分离鉴定了一种新的2-吡喃酮合酶(Pc2PS). Pc2PS与已知的几种2PSs的氨基酸序列相似性为54%~56%.通过体外酶促反应鉴定功能发现,Pc2PS可以催化1分子乙酰-CoA与2分子丙二酰-CoA,缩合生成4-羟基-6-甲基-2-吡喃酮;也可以只利用3分子丙二酰-CoA,以相同的效率缩合生成2-吡喃酮.由此可以看出,乙酰-CoA存在与否并不影响该酶的催化效率.随后,我们测定了Pc2PS以丙二酰-CoA为单一底物时的酶动力学参数.虽然之前报道的2PSs也可以只利用丙二酰-CoA生成2-吡喃酮,但与Pc2PS不同的是,乙酰-CoA的缺失会大大降低催化效率.另外,对Pc2PS基因的组织表达特异性检测结果表明,该基因主要在虎杖根中表达,在叶中的表达量很低.本研究丰富了2PS的种类,并为2-吡喃酮的生物合成提供了基因资源.

虎杖PcPKS1基因RNAi载体的构建

虎杖(Polygonum cuspidatum Sieb.et Zucc.)是富含芳香族聚酮化合物的药用植物,Ⅲ型聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)对芳香族聚酮化合物的合成起重要作用。为了研究虎杖Ⅲ型聚酮合酶基因Pc PKS1的功能,分别选取Pc PKS1基因的编码区保守序列(574 bp)和3′端非编码区特异序列(209 bp)作为干扰片段。将选定的干扰片段,分别以正向和反向插入到p YLRNAi载体中GUS基因内含子的两侧,以形成hp RNA表达盒,成功构建了以组成型Ca MV35S为启动子,以潮霉素抗性为筛选标记的RNA干扰表达载体p YLRNAi-CDS和p YLRNAi-UTR,并将载体导入农杆菌LBA4404中。

植物Ⅲ型聚酮合酶的分子机制与应用前景

植物III型聚酮合酶能催化生成一系列结构各异、具有不同生理活性、包含查耳酮合酶基本骨架的植物次生代谢产物,这类次生代谢产物不仅使植物体本身的抗逆性提高,并且对人类健康医疗有很好的应用前景。以下综述了近年来从植物中克隆、鉴定III型聚酮合酶的研究进展,着重论述了其分子结构、催化反应的类型和机制、表达调控及其在转基因工程方面的研究和应用前景。这些研究将为有效地对其进行基因改造,合成一些难以化学合成的新型天然化合物奠定基础,并且为将来进一步开展III型聚酮合酶的转基因工程提供了参考。

利用Ⅲ型聚酮合酶CsyB起始单元的底物多样性体内合成csypyrone类化合物

作为新型Ⅲ型聚酮合酶,米曲霉来源的CsyB能够依次接受一个起始单元为短链脂肪酰辅酶A、一个延伸单元为丙二酰辅酶A和另一个延伸单元为乙酰乙酰辅酶A的3个底物形成短链的csypyrone B1-3。基于CsyB的晶体结构分析,显示它的活性中心存在一个长约16?的能够接受脂肪酰辅酶A结合通道,这个通道很可能能够接受多种底物。为了检测该酶的底物多样性,将CsyB基因导入到存在长链脂肪酰辅酶A前体的大肠杆菌中表达。高效液相结果显示,相比对照菌株,重组菌株产生了一系列长链的csypyrone衍生物。利用紫外可见光特征吸收值和高分辨液相色谱-质谱联用仪对这些新产物作了初步分析。对3个具有羟基的csypyrone产物的结构进行了核磁共振一维谱和二维谱的详细鉴定,确定了其羟基的位置。上述结果显示,CsyB具有广泛的底物特异性,不但可以接受多种长链饱和或不饱和脂肪酰辅酶A,还可以接受具有羟基修饰的长链脂肪酰辅酶A作为底物。

千层塔中Ⅲ型聚酮合酶基因的克隆、表达与功能鉴定

Ⅲ型聚酮合酶是以合成聚酮类化合物为主的一类重要生物合成酶。本文利用逆转录聚合酶链反应从中草药千层塔新鲜嫩叶中扩增聚酮合酶基因,得到一个Ⅲ型聚酮合酶全长cDNA。该基因全长1212 bp,编码404个氨基酸。与已知的其他植物来源的聚酮合酶氨基酸序列有约50%～66%的同源性。cDNA经双酶切后克隆至pQE81L,并导入大肠杆菌(E.coli)M15中表达,产生大量带寡聚组氨酸标记的重组酶,重组酶分子质量大小约为46.4 kDa。酶活性鉴定研究表明,该重组酶可催化芳香族底物、脂肪族底物生成系列非天然聚酮产物,尤其是其可催化N-甲基邻氨基苯甲酰CoA和丙二酰CoA生成1,3-二羟基-N-甲基-吖啶酮,吖啶酮生物碱一直被认为只能由吖啶酮合酶合成。该工作为研究千层塔中Ⅲ型聚酮合酶在天然药物石杉碱甲生物合成中的作用奠定基础。

利用靶向Ⅱ型聚酮合酶的PCR技术从海洋放线菌中发现angucyclinone聚酮类天然产物（英文）

Angucyclinones是一类主要由陆地放线菌产生的芳香聚酮类化合物,其生物合成主要是由Ⅱ型聚酮合酶(PKS)催化完成。为了在海洋放线菌中探索此类芳香聚酮类化合物,我们以167株海洋放线菌基因组DNA为模板,对含有Ⅱ型聚酮合酶的菌株进行了PCR筛选,通过对PCR产物测序验证,确定了12株阳性菌株。通过大规模发酵培养和色谱分离、波谱鉴定,从阳性菌株Streptomyces sp.PKU-MA00218中发现了四个angucyclinone芳香聚酮类化合物,6-deoxy-8-O-methylrabelomycin(1),8-O-methylrabelomycin(2),8-O-methyltetrangulol(3),和angucyclinone C的C环裂解产物(4)。化合物4为首次从海洋放线菌中分离得到。Angucyclinone芳香聚酮1–4的发现展示了基于生物合成的基因组挖掘技术在天然产物探索发现中的重要作用。

植物Ⅲ型聚酮合酶研究进展

聚酮化合物是一大类结构各异并具有不同生物活性的天然产物,具有重要的药用价值。植物Ⅲ型聚酮合酶（polyketide synthases,PKSs）是植物中聚酮化合物生物合成的关键酶,主要通过催化初始酰基底物和二碳酰基单元的乙酰基发生一系列的缩合反应合成聚酮化合物骨架结构。该文简要概述了植物Ⅲ型聚酮合酶的催化机制、功能改造、表达调控及其分子进化等方面的研究进展。

基于定点突变的植物Ⅲ型聚酮合酶结构与功能研究进展

植物Ⅲ型聚酮合酶(Polyketide synthases,PKSs)催化形成一系列结构迥异、生理活性不同的聚酮类化合物的基本骨架结构,是聚酮类化合物生物合成途径的关键酶。目前已从植物中克隆和鉴定了多种功能不同的Ⅲ型PKSs。定点突变技术是研究蛋白质结构与功能之间复杂关系的重要方法。文中综述了近年来基于定点突变的植物Ⅲ型PKSs结构与功能关系的研究进展,包括利用定点突变技术修饰各种可能影响植物Ⅲ型PKSs结构的氨基酸残基,来研究其对功能的影响(如控制起始底物的特异性、缩合反应次数以及中间产物环化方式),以期为植物Ⅲ型PKSs结构与功能关系的研究提供参考。