链霉菌次生代谢和形态分化调控研究进展(精)

2009年 11月第 28卷第 11期绵阳师范学院学报 Journal of M ianyang Nor mal University Nov . 2009Vol . 28 No . 11

收稿日期 :2009204205

作者简介 :杨红文 (1975- , 男 , 讲师 , 博士 , 主要研究方向 :链霉菌分子生物学 , 动物功能基因组学及中草药饲料添加剂。

链霉菌次生代谢和形态分化调控研究进展

杨红文 1, 2, 程彦伟 3, 张敬虎 1

(1. 漳州师范学院生物系 , 福建漳州 363000; 2. 华中农业大学农业微生物国家重点实验室 , 湖北武汉 430070;

3. 洛阳师范学院生命科学系 , 河南洛阳 471022

摘要 :链霉菌以其复杂的形态结构、发育分化周期、众多的次级代谢产物及代谢调控网络而在基础理论研

究和应用研究方面备受关注 , 成为生命科学的研究热点之一。文章在此对灰色链霉菌、天蓝色链霉菌、阿维链霉菌等几种常见链霉菌的形态分化和次生代谢调控研究进展加以综述 , 主要包括 A 因子级联 ld A 、双组分系统、 sig ma 因子等调控级联 , 。

关键词 :链霉菌 ; 形态分化 ; 次生代谢 ; 双组分系统 ; ma 中图分类号 :S8文献标识码 :A 文章编号 :( 11链霉菌以其产生众多的次生代谢产物而备受关注 , 包括大部分抗生素 (2/3 和酶抑制剂、免疫调节剂等天然产物 , 常见的抗生素有阿维链霉菌 (S trepto m yces . m (aver mectin 类农药兽药、弗氏链霉菌 (S. fradiae 产生的泰乐菌素 (tyl osin 等 , , 将有利于通过基因工程手段研发抗生素高产菌株和开发新型高效安全 , 以及相应建立起来的生理模型和数学模型 , 链霉菌次生代谢和形态分化调控网络的研究也将获得飞跃发展 , 对其它抗生素产生菌的调控机制研究也有重要参考意义。

链霉菌还具有复杂的多细胞形态分化发育周期。主要包括孢子萌发出芽管、形成基内菌丝、产生白色气生菌丝、气生菌丝末端分化为系列的单倍体孢子。形态分化和次生代谢发生在时间上有强相关性 , 在细胞内的各自基因的表达调控上更是密不可分 , 这与链霉菌巨大的基因组和复杂的表达调控网络有关 , 链霉菌的基因组大小多在数 Mb 以上 , 如 2001年完成测序的天蓝色链霉菌 A3(2 (S. coelicolor 基因组大小为 8, 667, 507bp, 2003年完成测序的阿维链霉菌 (S. aver m itilis 基因组大小为 9, 025, 608bp, 均大于所有的其它细菌基因组 , 而其基因数量 (约 7000以上与真核生物的酵母 (6000 和人类 (31000 相差不大 , 这些都为链霉菌适应复杂多变的环境和其复杂的形态分化、次生代谢调控提供了充足的遗传信息 , 全基因组序列的破译及后续的蛋白质组学研究也为深入研究链霉菌复杂调控网络提供了可能性。本文对近年来链霉菌形态分化和次生代谢调控方面的研究加以综述 , 希望能对链霉菌次生代谢和形态分化的基础研究及研发新型高产抗生素药物有所裨益。

1抗生素合成的途径专一性调控

111链霉菌抗生素合成基因簇

链霉菌的抗生素合成基因大多以簇形式位于基因组上 , 而在抗生素合成基因簇两侧附近则有该种抗生素合成的调控基因。天蓝色链霉菌 (S. coelicolor 的四种抗生素合成调控基因都位于它们合成簇附近 :放线紫红素 (actinorhodin 合成基因簇(act 和其正调控基因 actII -ORF4; 十一烷基灵菌红素 (undecyl p r odigi osin 合成基因簇 (red 和其正调控基因 redD ; 次甲基霉素 (methylenomycin 合成基因簇 (mmy 和其负调控基因 mm yR ; 钙依赖抗生素 (Ca2+-dependent antibi otic, CDA 合成基因簇(cda 和其正调控基因 cdaR 。灰色链霉菌 (S. griseus V 中链霉素 (Str 合成正调控基因 str R 也在其合成簇的附近 , 而阿维链霉菌 (S. aver m itilis 中阿维菌素 (avr 的合成正调控基因 aveR 则位于其合成簇的前端。

与抗生素合成的专一调控基因在合成簇附近不同 , 抗生素合成的全局性调控基因和形态分化相关的调控基因和抗生素合成簇的位置关系则没有规律性 , 或远或近 , 如 adp A, bldA 等等。

112抗生素合成的途径专一性调控

通过基因敲除和位于高拷贝质粒上增强表达等手段确定了某些抗生素合成的专一性调控基因及其调控性质 , 这些专一性调控基因往往是各种全局性调控因子调控具体抗生素合成的必经途径。

11211天蓝色链霉菌抗生素合成的途径专一性调控

天蓝色链霉菌 (S. coelicolor 中放线紫红素 (Act 的合成受其途径专一性正调控基因 actII -OR F 4的作用。 actII -OR F 4对变铅青链霉菌 (S. lividans 中的 Act 合成也有作用 , 将位于高拷贝质粒上的 actII -OR F 4导入变铅青链霉菌 (S. lividans 可使后者在液体培养中由不合成 Act 转为可合成 [1]。 actII -ORF 4还可以介导其它调控因素对 Act 合成的专一性调控。天蓝色链霉菌中 atr A 通过 actII -OR F 4调控Act 合成 , 其破坏子的 actII -ORF 4转录量和 A ct 产量都降低 , 而不影响 Red 和CDA 的产量。 B ld 因子中的 B ldC 作为 DNA 结合因子也通过维持 actII -ORF 4的转录参与 Act 的合成调控 , 其缺失体不能合成 Act, 但可以合成 Red, 同时在完全培养基 (C M 上气生菌丝形成严重推迟 [2]。 S -腺苷甲硫氨酸 (S AM 也通过促进 actII -ORF 4转录参与对 act 的合成调控 , 编码 S AM 的 m etK 的多拷贝形式或其高表达或外加 S AM 可促进天蓝色链霉菌中 actII -ORF 4的表达并增加 act 的产量 , 同时抑制了形态分化。 S AM 也可刺激灰色链霉菌 (S. griseus 高产链霉素 , 可能也是通过促进链霉素合成的专一性正调控基因 str R 的转录进行的 [3]。但在 S. lividans TK 23中 S AM 除了促进 actII -ORF 4转录刺激 Act 产量外 , 还抑制产孢和气生菌丝的形成 [4]。另外在 S. lividans 中催化 ATP 和 ADP 相互转化的 ppk 突变体促进 actII -ORF 4的转录并刺激 Act 产量 , 可能与 Ppk 催化产生的 Pi 抑制 actII -ORF 4表达有