CRISPR/Cas13a系统在大肠杆菌RNA编辑过程中的逃逸现象

【目的】在大肠杆菌(Escherichia coli)MG1655-ΔrecA和Escherichia coli DH10B中构建CRISPR/LshCas13a质粒干扰系统,通过靶向非必需基因lacZ和必需基因polA,分别分析RNA编辑实验中的逃逸现象。【方法】选取来自沙氏纤毛菌(Leptotrichia shahii)中的Cas13a蛋白编码基因LshCas13a,构建可诱导的CRISPR/LshCas13a的RNA编辑系统相关质粒,选取MG1655-ΔrecA和DH10B为研究对象。通过Crisporo算法,设计靶向lacZ和polA的CRISPR RNA(crRNA)序列,考察利用LshCas13a质粒干扰实验靶向lacZ和polA的逃逸现象。再通过对逃逸菌落的数量和序列分析评估LshCas13a系统的逃逸现象,结合PCR和Sanger测序技术探究LshCas13a系统的逃逸事件。选取通过插入序列(insertion sequence,IS)转座破坏LshCas13a系统的LshCas13a基因的逃逸菌落,通过监测OD_(600)进一步考察菌株的生长情况。【结果】利用LshCas13a系统靶向MG1655-ΔrecA和DH10B中的lacZ和polA,发现靶向lacZ时,MG1655-ΔrecA通过LshCas13a基因点突变和IS转座突变方式逃逸;靶向polA时,MG1655-ΔrecA和DH10B通过点突变LshCas13a基因、IS转座和突变crRNA的直接重复(direct repeat,DR)序列等方式逃逸。LshCas13a编码基因的突变促进了菌株生长的恢复。【结论】本研究利用LshCas13a质粒干扰系统研究了E.coli宿主RNA编辑中的多样化逃逸现象,包括了染色体编码的IS介导的LshCas13a转座突变、LshCas13a点突变、crRNA的DR序列突变或重组等情况。本研究为进一步优化CRISPR/LshCas13a基因编辑系统奠定了基础。

浅紫灰链霉菌CQ01819及其次级代谢产物的定向发掘

【目的】采用特征次级代谢产物生物合成的保守功能基因探针,定向分离土壤中产生特征次级代谢产物的菌种资源,借助基因转录分析为导向的培养基优化方法,获得目标次生代谢产物。【方法】首先,根据5种特征次级代谢产物保守的合成功能基因设计简并引物,定向从土壤样品中筛选、分离并纯化菌株。然后,以RT-qPCR为指导开展目标产物的发酵培养基优化;最后,对菌株进行发酵,利用多种色谱技术分离纯化目标天然产物,并结合高分辨质谱与核磁共振等技术对所获得的化合物进行结构鉴定。【结果】从土壤中筛选得到了一株AHBA合酶基因和环氧化酶基因均为阳性的链霉菌菌株(编号为CQ01819),根据转录分析优化发酵培养基,最终从该菌株分离纯化得到了含有AHBA结构单元的丝裂霉素C、聚醚类抗生素莫能霉素A和缬吲霉素。【结论】本研究通过菌株的定向分离纯化,筛选得到了产生预期抗生素的浅紫灰链霉菌菌株CQ01819;基于RT-qPCR指导的发酵培养基优化,确定了菌株的发酵条件;获得发酵粗提物后,采用多种色谱整合技术和光谱分析策略,快速分离并鉴定了目标产物。该研究为目标菌种资源的定向筛选、菌株的发酵条件的快速优化和化合物的定向分离提供了较好的参考。

福林霉素生物合成基因簇的组装和异源表达

【目的】本研究旨在以来源于林可链霉菌NRRL2936中的nosokomycin B_(2)的生物合成基因簇(noso-BGC)为基础,组装获得完整的福林霉素生物合成基因簇(pho-BGC),再利用异源表达策略,激活pho-BGC的表达并通过底盘宿主的优选实现福林霉素发酵产量的提升。【方法】首先,在林可霉素基因簇缺失突变株JCK126基因组中,整合了福林霉素生物合成所缺失的moeA4、moeB4和moeC43个环合成基因(来源于加纳链霉菌ATCC 14672),通过对重组菌株LX19的发酵和提取物的检测确认了pho-BGC在林可链霉菌中的沉默表达。然后,利用基因组装技术将moeA4、moeB4和moeC43个环合成基因与noso-BGC进行连接,得到了含有完整pho-BGC的质粒pJQK572。接着,通过接合转移将质粒pJQK572分别导入Streptomyces coelicolor M1152、Streptomyces lividans SBT18、Streptomyces lividans LJ1018和Streptomyces coelicolor M1446宿主中获得不同的重组菌株LX20、LX21、LX22和LX23。最后,通过对不同重组菌株进行发酵并对提取物进行生物活性分析以及UPLC-TOF MS检测,确定福林霉素在不同异源宿主中的合成情况,并结合二级质谱分析(ESI-MS_(2))对其结构进行确定。【结果】pho-BGC在天蓝色链霉菌M1152中成功实现了异源表达,并在4拷贝天蓝色链霉菌M1446中发酵产量提高了约20%。【结论】本研究通过系统的发酵检测确定了福林霉素生物合成基因簇在林可链霉菌中是沉默的;然后,在nosokomycin B_(2)基因簇的基础上,构建了含有完整pho-BGC的质粒pJQK572;获得了pho-BGC在不同宿主中的异源表达产物后,利用多种液相-质谱联用技术对发酵提取物进行检测,确定了pho-BGC在天蓝色链霉菌M1152中成功表达,接着通过多拷贝整合技术在菌株LX23中将福林霉素的产量提高了约20%。完整pho-BGC的拼接和在菌株LX20&LX23中的异源表达,为福林霉素生物合成机制的探索和高产优化奠定了基础。

Nonomuraea candida HMC10^(T)中新结构套索肽noncaromin生物合成基因簇的克隆及异源表达

【目的】本研究旨在通过定向克隆菌株Nonomuraea candida HMC10^(T)中一个新的Ⅱ型套索肽类生物合成基因簇,通过在放线菌底盘宿主中的异源表达,获得新结构套索肽noncaromin,并完成其抑菌活性分析。【方法】通过anti SMASH软件分析菌株N.candida HMC10^(T)全基因组序列,确定新的Ⅱ型套索肽noncaromin的生物合成基因簇(biosynthetic gene cluster of noncaromin,nonc-BGC)。然后,利用ExoCET重组技术(exonuclease combined with RecET recombination)获得完整的nonc-BGC,得到重组质粒pJQK652,并通过λ-Red重组技术改造得到整合型质粒pJQK653。采用接合转移方法,将该质粒分别导入白色链霉菌、2株变铅青链霉菌、2株天蓝色链霉菌和红色糖多孢菌宿主中进行异源表达,再通过发酵和分离纯化获得目标套索肽noncaromin。最后,利用QTOF-ESI-MS^(2)完成套索肽noncaromin的结构鉴定,并通过抗菌活性检测确定该化合物的生物活性。【结果】本研究利用ExoCET技术成功获得了完整的nonc-BGC,在6种放线菌宿主中成功异源表达,完成了noncaromin的结构鉴定,确定了其具有微弱的抗枯草芽孢杆菌活性。【结论】本研究在克隆得到新结构套索肽nonc-BGC的基础上,实现了该基因簇在6个放线菌底盘宿主中的成功表达,获得了1个具有微弱抑制枯草芽孢杆菌活性的新结构Ⅱ型套索肽noncaromin。本研究结果为发掘菌株N.candida HMC10~T及其他放线菌中的新结构化合物提供了借鉴。

抗细菌药物默诺霉素的化学生物学研究进展

默诺霉素(moenomycins)家族类化合物主要是由链霉菌产生,属于磷酸糖脂类抗生素。该类化合物通过与细菌细胞壁肽聚糖糖基转移酶(peptidoglycan transferase,PGT)的活性位点结合,可以抑制众多革兰氏阳性细菌细胞壁的合成,具有很强的生物活性和重要的应用开发潜力。本文针对默诺霉素的化学结构、生物活性机制、抗性机制、生物合成研究途径、外排机制和新结构创制等化学生物学方面进行了系统综述,并对默诺霉素化学生物学研究现状以及可能存在的问题进行了总结,旨在为高活性磷酸糖脂类临床药物的研究与开发提供借鉴。

安丝菌素聚酮合酶模块2中脱水酶结构域的生化功能

【目的】I型聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)模块中不同的修饰是聚酮类化合物结构多样性的重要原因之一。抗癌药物安丝菌素化学结构中C11-C14区域存在特殊的双键迁移结构,可能与聚酮合酶模块2或者3中脱水酶结构域(Dehydratase,DH)的催化密切相关,本研究通过探究聚酮合酶模块2中DH结构域(Ansa DH_2)的生化功能,确定其在安丝菌素聚酮链延伸过程中的脱水功能。【方法】本文以安丝菌素产生菌Actinosynnema pretiosum subsp. pretiosum ATCC 31280为研究材料,首先,对安丝菌素聚酮合酶模块中的4个不同DH结构域进行了生物信息学分析;然后,利用化学方法合成了Ansa DH_2的底物类似物waq-1,建立和优化了Ansa DH_2的体外生化反应体系;并利用ESI-MS~2的方法鉴定了Ansa DH_2催化形成的终产物的结构,确定了Ansa DH_2在安丝菌素聚酮链延伸中的α-β脱水作用;最后,通过定点突变的策略,对Ansa DH_2的关键氨基酸进行了鉴定。【结果】通过生物信息学分析显示Ansa DH_2和Ansa DH_3与已报道的催化双键迁移的DH结构域进化关系近;通过六步线性化学反应合成了Ansa DH_2底物类似物waq-1,终产率为17.81%;建立并优化了Ansa DH_2的生化反应条件,使36 h的底物转化率达到45%;通过对Ansa DH_2催化形成的终产物的结构鉴定,证明安丝菌素聚酮链延伸过程中Ansa DH_2催化底物类似物发生了α-β脱水;最后,氨基酸的定点突变证明了Ansa DH_2第48位的组氨酸(H)是脱水活性的必需氨基酸。【结论】本研究证明了Ansa DH_2具有催化α-β脱水的功能,丰富了DH结构域的研究,为后续研究安丝菌素聚酮链延伸过程中的双键迁移奠定了基础。

染色体DNA琼脂糖包埋法辅助的ExoCET技术克隆放线菌天然产物生物合成基因簇

【目的】本研究旨在通过将琼脂糖包埋染色体DNA的方法与ExoCET重组技术相结合,建立放线菌天然产物生物合成基因簇的捕获方法。然后将克隆基因簇导入通用底盘宿主中,实现目标生物合成基因簇的异源表达。【方法】首先,利用低熔点琼脂糖包埋技术制备菌株的染色体基因组总DNA,再用限制性内切酶消化含有染色体DNA的琼脂块,获得线性化的DNA样品;然后利用ExoCET重组技术,以p15A线性载体片段将目标基因簇线性片段进行捕获;再通过PCR-targeting的方法向目标质粒中引入所需的接合转移DNA元件。接着,将改造质粒通过接合转移导入到Streptomyces coelicolor M1252宿主中,获得不同的重组菌株。最后,对不同的菌株进行发酵并提取化合物,最后进行活性检测以及质谱检测。【结果】通过该方法,从菌株S.lincolnensis NRR2936中成功获得了林可霉素生物合成基因簇(lmb-BGC),从菌株Nonomuraea nitratireducens WYY166^(T)中克隆得到了2个核糖体肽类化合物的生物合成基因簇(nioblantin,niob-BGC和nitblantin,nitb-BGC),并实现了lmb-BGC在天蓝色链霉菌M1252中的成功表达。【结论】本研究通过将低熔点琼脂糖包埋技术与ExoCET重组技术进行合理整合,定向克隆得到了林可霉素以及2个新颖的羊毛硫肽类化合物的生物合成基因簇。然后,分别对重组质粒改造后,在天蓝色链霉菌M1252宿主中进行表达,分别获得重组菌株MJX01、MJX02和MJX04。最后,利用质谱以及活性测试的手段对发酵提取物进行了检测,确定了林可霉素生物合成基因簇在天蓝色链霉菌M1252中成功表达。本研究为通过基因簇克隆和异源表达发掘新化合物奠定了基础。