创新霉素生物合成研究进展

创新霉素是中国科学家20世纪60年代发现的具有全新骨架结构的抗生素,由济南游动放线菌产生,具有良好的抗菌活性和新颖的作用靶点,但创新霉素的生物合成基因簇在其发现50多年后才得到解析。本文介绍了创新霉素研究的历史沿革,着重介绍了其生物合成机制的最新研究进展,从生物合成基因簇、生物合成途径、新颖的去泛素化酶样的硫转移酶催化的硫掺入机制、罕见的细胞色素P450酶催化的C-S键形成机制等角度进行阐述,这些研究进展为利用组合生物合成和合成生物学技术进行新药研发和高产优产奠定了理论基础。

天然环庚三烯酚酮类化合物的生物合成及生物活性研究进展

环庚三烯酚酮(tropolone)类化合物最早在真菌的次级代谢天然产物中被发现,随后,在细菌次级代谢产物、植物和海洋生物中也发现了此类化合物的存在[1]。它的核心基团为独特的环七-2,4,6-三烯酮非苯芳香环结构。环庚三烯酚酮类化合物目前已被报道具有广泛的生物学活性,主要包括抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗炎、杀虫等作用[2]。构效关系研究表明,一些环庚三烯酚酮类化合物的活性来自于核心的非苯芳香环结构,针对某些生理相关的金属酶,该结构具有金属螯合和氧化还原能力[3-5]。本文主要对天然的环庚三烯酚酮类化合物的结构多样性、生物合成机制以及相关的生物活性报道进行综述。

PCSK9转录后表达调控抑制剂的发现及活性研究

目的建立PCSK9转录后表达调控抑制剂高通量筛选模型筛选获得靶向PCSK9转录后水平的小分子抑制剂,通过其活性研究发现具有潜在降脂活性的PCSK9抑制剂。方法将PCSK9 mRNA的3'UTR区连接至荧光素酶报告基因下游以构建PCSK9转录后调控抑制剂高通量筛选模型,并对其进行优化与评价。应用该模型进行大规模筛选,进而利用荧光定量PCR、Western blot、流式细胞检测等方法对活性化合物调控PCSK9的表达及其介导的低密度脂蛋白受体(LDLR)的表达水平和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)摄取作用的变化进行检测。结果利用上述模型筛选获得6个活性化合物,并对其量效关系进行分析,结果显示这些化合物均可呈剂量依赖性下调筛选模型荧光素酶活性;利用HepG2细胞对其调控PCSK9的表达水平进行检测,结果显示化合物IMB-57可显著抑制PCSK9基因mRNA水平和蛋白水平;进而对LDLR表达水平及摄取功能进行检测,结果显示IMB-57可显著增加细胞LDLR蛋白水平及其介导的细胞对LDL-C的摄取作用;初步分子机制分析结果证实IMB-57通过影响PCSK9基因mRNA的稳定性从而抑制其表达。结论活性化合物IMB-57具有显著的PCSK9抑制活性且可显著增加肝细胞LDL-C的摄取,有望发展为潜在的具有降脂活性的PCSK9小分子抑制剂,同时也证实本工作构建模型的可靠性,可用于具有全新机制的PCSK9抑制剂的发现。

抗SARS-CoV-2药物研究进展

过去二十年全球曾经发生了两次重大的冠状病毒(coronavirus,CoVs)感染事件,分别是2003年暴发的严重急性呼吸窘迫综合征(severe acute respiratory syndromes,SARS)和2012年暴发的中东呼吸综合征(middleeast respiratorysyndrome,MERS)。2019年,第三次冠状病毒感染事件暴发,新型冠状病毒SARS-CoV-2在全球大流行并造成了巨大的社会危害。最新数据显示,SARS-CoV-2已导致全球超过5.2亿人感染,628万人死亡;。鉴于疫情的严重形势,多个抗SARS-CoV-2药物已被各国政府紧急批准临床应用,如莫努匹韦、瑞德西韦、法匹拉韦、洛匹那韦/利托那韦等,世界卫生组织(WHO)也将7种SARS-CoV-2疫苗纳入紧急使用清单。

CD73:肿瘤免疫治疗的新靶点

肿瘤免疫治疗是缓解甚至治愈某些类型肿瘤的有效策略,例如针对程序性细胞死亡蛋白-1(programmed death-1,PD-1)的纳武利尤单抗对非小细胞肺癌和霍奇金淋巴瘤等实体癌有治疗效果[1],以细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein-4,CTLA-4)为靶点的伊匹木单抗也在黑色素瘤、前列腺癌患者的临床试验中显示了较好的疗效[2]。然而,这些药物仅在少数患者中有效,且在相当一部分患者中观察到对免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors,ICIs)的耐药性[3]。这种现象的产生是因为肿瘤细胞可以通过多种免疫抑制途径发生免疫逃逸[4]。因此,对肿瘤免疫逃逸机制更深入和全面的研究将有利于人们应用肿瘤免疫疗法来对抗癌症。

以人载脂蛋白B为靶点的基因表达下调剂筛选模型的建立与应用

目的构建以人ApoB为靶点的基因表达调节剂的高通量筛选模型,筛选apoB基因表达下调剂。方法以人基因组DNA为模板,通过PCR扩增apoB基因上游的启动子序列,将扩增的DNA片段克隆至荧光素酶报告基因质粒pGL4.17,采用脂质体介导的方法将重组质粒转染人肝癌细胞HepG2,经G418抗性筛选,获得稳定转染细胞株。应用槲皮素对筛选模型进行评价,进而基于检测荧光素酶的表达活性变化筛选人apoB基因表达下调剂。结果PCR扩增得到人apoB基因上游的启动子序列,构建完成相应的重组荧光素酶报告基因质粒pGL4-apoB-P,建立了稳定转染细胞株ApoB-Luc HepG2。以槲皮素为阳性化合物进行模型评价,Z'因子为0.77,符合高通量筛选的要求。应用该模型对5688个微生物发酵液粗提物进行筛选,获得了2株阳性菌株。结论建立了人apoB基因表达下调剂筛选模型,并应用于微生物来源样品的筛选。

链霉菌CPCC 203577产生的napyradiomycins的分离与鉴定

目的对一株具有抗菌活性的链霉菌CPCC 203577产生的次级代谢产物进行系统研究。方法采用ISP2琼脂平板发酵培养链霉菌CPCC 203577,乙酸乙酯提取发酵培养物,获得粗提物;粗提物经反相色谱柱、凝胶色谱柱、制备型TLC和半制备HPLC等分离纯化获得目标化合物纯品;MS和NMR等确定化合物结构;琼脂稀释法测定抗菌活性。结果从链霉菌CPCC 203577中分离鉴定了含萘醌并吡喃母核的3个已知化合物,3-chloro-6,8-dihydroxy-8-α-lapachone(1)、16-dechloro-16-hydroxynapyradiomycin C2(2)和napyradiomycin A2(3)。化合物1具有较强的抗革兰氏阳性细菌活性,最低抑菌浓度(MIC)值为4~8μg/ml;化合物2和3没有抗菌活性。结论链霉菌CPCC 203577具有丰富的次级代谢产物合成能力,产生napyradiomycins类化合物。

西藏沙棘根瘤及根际土壤放线菌分离及抗菌活性研究

探索西藏林芝与山南地区沙棘根瘤及其根际土壤样品中放线菌的多样性及抗菌活性,为天然产物药物研发提供新的微生物资源。采用稀释涂布法对10份样品中可培养放线菌进行分离,后经菌株16S rRNA序列测序,以邻接法(neighbor-joining method,N-J)构建系统发育树分析放线菌种属多样性;利用微孔板法对代表性菌株进行发酵培养及抗菌活性评价;进一步利用超高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)考察活性菌株代谢产物情况。从10份样品中分离到112株放线菌,分属于7个目12科23个属,优势菌属为链霉菌属(Streptomyces);抗菌活性结果表明有17株放线菌至少对一种检定菌有抗菌活性,阳性抑菌率为36.9%。有16株放线菌对临床常见的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)有较强抑制活性,其中13株放线菌对MRSA抑制率超过阳性对照药万古霉素;另外有7株放线菌对耐碳青霉烯鲍曼不动杆菌(carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii,CRAB)有抑制活性,其中Streptomyces sp.XZ19-363对CRAB抑菌作用最强,抑制率为91.3%,UPLC-MS分析显示,具有广谱抗菌活性的菌株在不同培养基中产生了较为丰富的次级代谢产物。西藏林芝与山南地区沙棘根瘤及其根际土壤中可培养放线菌资源丰富多样,同时具有较好的抗菌活性且代谢产物丰富。

珍贵束丝放线菌产生的新代谢产物1-羟基-4-O-鼠李糖-2-萘甲酸甲酯

目的发现珍贵束丝放线菌ATCC 31565产生的新代谢产物。方法TLC和LC-MS等分析珍贵束丝放线菌ATCC 31565培养物的乙酸乙酯提取物,发现目标化合物。采用MCI色谱柱和半制备HPLC等分离纯化目标化合物。对目标化合物的NMR等数据进行分析,确定其化学结构。结果从珍贵束丝放线菌ATCC 31565中发现了一个化学结构为1-羟基-4-O-鼠李糖-2-萘甲酸甲酯的新化合物,并将其命名为珍贵酚。结论推测珍贵酚是1,4-二羟基-2-萘甲酸(甲萘醌的生物合成前体物)和L-鼠李糖这两个初级代谢产物的脱水缩合产物再经过甲酯化形成的。

链霉菌CPCC 200510产生的大黄酚及其类似物的鉴定

目的链霉菌具有丰富次级代谢产物合成能力,对链霉菌CPCC 200510 产生的色素类次级代谢产物进行研究。方法对该菌株的次级代谢产物进行乙酸乙酯提取、ODS色谱柱分离、半制备 HPLC 分离纯化、NMR 结构解析和生物活性检测。结果得到 6 个黄色化合物,分别为 1,8-二羟基-3-甲基蒽醌(大黄酚,1)、2-乙酰-1,8-二羟基-3-甲基蒽醌(2)、2-乙酰-1,8-二羟基-3-羧甲基蒽醌(3)、1,2,8-三羟基-3-甲基蒽醌(4)、1-(7-乙酰-8-羟基苯并[de]色烯-2-基)-2-丙酮(5)和1-(8-羟基-2-甲基苯并[de]色烯-7-基)乙酮(6),为一组生物合成相关的芳香聚酮类化合物。其中,1 ~ 3 为链霉菌 CPCC 200510 产生的主要组分。生物活性测定表明,1 ~ 3 具有抗肿瘤细胞或抗病毒活性。结论链霉菌 CPCC 200510 有望作为大黄酚类化合物的微生物产生菌。

低密度脂蛋白受体表达调控的研究进展

心血管疾病是世界范围的主要死亡原因[1],全球对心血管类药物的需求持续增长。胆固醇代谢紊乱引起的血脂异常是公认的动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)性心血管疾病的主要发病因素,降低低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoproteincholesterol,LDL-C)成为抗AS药物研发的重要策略[2]。

链霉菌Streptomyces sp.CPCC 204095产生原黄醇酮C的固态发酵及制备

目的以链霉菌Streptomyces sp.CPCC 204095为产生菌,建立小规模发酵培养及分离纯化制备原黄醇酮C的方法。方法HPLC测定原黄醇酮C发酵效价;利用改进的发酵培养基配方对链霉菌Streptomyces sp.CPCC 204095进行固态发酵培养,经乙酸乙酯提取、正相硅胶色谱柱和反相ODS色谱柱分离纯化制备原黄醇酮C。结果采用改进的发酵培养基配方(葡萄糖4 g/L,麦芽提取物25 g/L,酵母提取物4 g/L,黄豆饼粉6 g/L,琼脂粉15 g/L,pH自然),原黄醇酮C发酵效价达到300 mg/L;从5 L发酵培养基出发,经发酵培养和分离纯化后,收获原黄醇酮C样品656 mg,HPLC检测纯度91%。结论建立了一种简便高效的原黄醇酮C小规模发酵和制备工艺流程,为开展原黄醇酮C化学衍生物和生物活性等研究奠定了基础。

一种检测安丝菌素效价的生物检定方法——木霉平板法

本文报道一种安全高效的安丝菌素生物检定方法。对1株安丝菌素敏感的真菌进行了ITS序列系统进化树分析,确定其属于木霉属,并将其命名为木霉CPCC 400749。采用PDA培养基制备了木霉CPCC 400749检定平板并用于测定安丝菌素效价,测定结果与HPLC分析方法得到的数值基本一致。本文报道的安丝菌素生物检定方法具有安全高效特点,有望用于高通量筛选束丝放线菌安丝菌素高产菌株。

URA3基因影响青蒿酸酿酒酵母工程菌中试发酵产量

CRISPR/Cas9基因编辑技术已经被广泛应用于工程酿酒酵母的基因插入、基因替换和基因敲除,通过使用选择标记进行基因编辑具有简单高效的特点。前期利用CRISPR/Cas9系统敲除青蒿酸生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)1211半乳糖代谢负调控基因GAL80,获得菌株S.cerevisiae 1211-2,在不添加半乳糖诱导的情况下,青蒿酸摇瓶发酵产量达到了740 mg/L。但在50 L中试发酵实验中,S.cerevisiae 1211-2很难利用对青蒿酸积累起到决定性作用的碳源-乙醇,青蒿酸的产量仅为亲本菌株S.cerevisiae 1211的20%–25%。我们推测因遗传操作所需的筛选标记URA3突变,影响了其生长及青蒿酸产量。随后我们使用重组质粒pML104-KanMx4-u连同90 bp供体DNA成功恢复了URA3基因,获得了工程菌株S.cerevisiae 1211-3。S.cerevisiae 1211-3能够在葡萄糖和乙醇分批补料的发酵罐中正常生长,其青蒿酸产量超过20 g/L,与亲本菌株产量相当。研究不但获得了不加半乳糖诱导的青蒿酸生产菌株,同时首次发现了营养缺陷型标记URA3基因显著影响乙醇补料的中试发酵中青蒿酸的产生,也为酵母作为底盘来进行其他天然产物的生产提供了借鉴。

利用CRISPR-Cas9系统与核糖体工程获得新型可利霉素产生菌

可利霉素(Carrimycin,CAM)是将异戊酰基转移酶基因(Isovaleryltransferase gene,ist)导入到螺旋链霉菌中产生的以异戊酰螺旋霉素(Isovalerylspiramycin,ISP)为主组分的抗生素。原工程菌中的ist基因与螺旋霉素(Spiramycin,SP)生物合成基因簇相距较远,且具有两种抗性基因,难以对其进行基因改造,因此需要构建新型CAM工程菌株。文中通过CRISPR-Cas9基因编辑系统靶向切割2个位点,将ist和其正调控基因acyB2通过同源重组插入到SP生物合成基因簇附近且不参与SP合成的orf54基因下游,获得2种无外源抗性基因插入的CAM产生菌54IA-1和54IA-2,经发酵产物检测发现54IA-2菌株中的ISP产量明显高于54IA-1菌株。通过实时定量PCR (Quantitative real-time PCR,qPCR)检测证实54IA-2菌株中ist和acyB2基因以及部分SP生物合成基因的表达量均高于54IA-1菌株。为进一步获得高产菌株,以54IA-2为出发菌株,利用核糖体工程的方法筛选利福平(Rifampicin,RFP)抗性菌株,在RFP浓度为40μg/mL的抗性菌株中,ISP的产量明显提高,最高可达842.9μg/mL,比原始菌株提高约6倍。对其中7株菌的rpoB基因进行测序分析,每株菌的第576位丝氨酸都突变为丙氨酸,在其他错义突变中产量最高的菌株RFP40-6-8在第424位的谷氨酰胺突变为亮氨酸。综上所述,本研究应用CRISPR-Cas9系统成功构建了无任何抗性标记的新型CAM工程菌株54IA-1和54IA-2,并通过核糖体工程技术筛选获得了新型CAM高产菌株RFP40-6-8,为CAM工程菌株的进一步优化改造奠定了基础。