链霉菌的基因组及其抗生素生物合成基因研究

这一研究计划共有44位学者参与完成，涉及 四个单位。主要完成单位是 Wellcome Trust Sanger Institute, Hinxton, Cambridge，UK .， 世界著名的链霉菌遗传学学者D.A.Hopwood 及 他所在的John Innes Center(Norwich,UK)也参 与了研究，
到目前为止，已揭示了一些基本规律， 也开展了有一定成效的应用研究。
1、在产抗生素的链霉菌中，耐药基因一般与抗 生素合成基因紧密连锁，而大部分抗生素合成基因簇 位于染色体DNA上。因而与合成基因连锁的耐药基 因也存在于染色体DNA上。பைடு நூலகம்目前为止所发现的抗 生素合成基因簇中只有位于SCP1质粒上的次甲霉素 基因簇是一个例外，抗生素耐药基因可以脱离抗生素 合成基因簇而单独存在于质粒上，随质粒一起转移和 扩散。
紧密成簇排列。请见下图与表：
Gene 203： 1–9
链霉菌抗生素生物合成相关基因在染色体或质粒 上成簇排列的特性，为我们研究这些基因的结构、调 控表达与进行基因克隆提供了方便。但是也带来了一 些问题，例如其中某一个基因一旦发生突变，有时往 往要影响到邻近基因的调控表达效率甚至关闭表达。 这也可能是导致抗生素生产菌株常常表现出生产性能 不稳定、效价达到一定水平后，进一步提高其发酵效 价就十分艰难的重要原因之一。
链霉菌中克隆的原霉素耐药基因 Ptr 能够编码膜转运 蛋白，Ptr 在浅青紫链霉菌表达时，不仅可以提高对
参与研究的还有 Department of chemistry, University of Warwich, Coventry,UK.，
我国台湾的 Institute of Genetics, National Yang-Ming University 也有一位学 者（C.W.Chen）参与了这一计划的研究工作 ［1］。
已公布的链霉菌的基因组的基本信息见 Table 1：
表
从上表可见，链霉菌的基因组是目前已完成测 序的原核生物基因组中生物信息量较大的基因组之
一， 生物信息量排名第二， 比大肠杆菌 （E. coli K12 4639221bp）的基因组大近一倍；
最大的为Bradyrhizobium japonicum （nt . 9105828bp）。 目前已完成测序94个细菌菌株
链霉菌的基因组 及其抗生素生物合成基因研究
吴雪昌 浙江大学遗传学研究所 Institute of Genetics Zhejiang University
链霉菌是一类主要来源于土壤的革兰氏 阳性菌，约占土壤可培养微生物的1—20%。 在系统生物学上它归于链霉菌属
（Streptomyces），链霉菌属中的链霉菌，
产抗菌株存在抗性基因，这不难理解。 研究发现，产抗菌株不仅存在抗性基因， 而且抗性基因还参与了抗生素的生物合成 与调控，以确保抗生素耐药性的及时表达， 从而免受自身抗生素的伤害。研究还发现， 产抗菌株的抗性水平与该菌株自身的产抗 水平呈正相关。
这就使研究者们很快设想到，提高产抗菌株 存在的耐药水平，就会提高菌株的产抗生素水平。 因此，对产抗菌株的抗性基因的结构、表达调控研 究，在理论与工农医实践上均有重要的意义而成为 研究热点之一。
而对某些产抗生素链霉菌而言，除了受到 环境中的抗生素压力外，还首当其冲地受到自 身所产生的抗生素的更强的压力，在长期的进 化中，这些链霉菌也被认为是通过自然选择积 累了相应的抗生素耐药基因和调节基因，以保 护自身免受这些高浓度的致命代谢物的伤害。 而这些基因又被认为是病原细菌获得性耐药因 子的最初来源。
迄今有约500个种。它与其它原核生物相比， 链霉菌具有比较复杂的形态结构、生活周期与 遗传特性。其重要特点之一是具有丰富的次级 代谢多样性。
在已知的微生物所产生的抗生素中，约2／ 3由放线菌产生，而其中的80％来源于链霉菌， 可见链霉菌在医药上的重要性。链霉菌由于它 与我们人类健康的密切关系及商业上的重要价 值而成为当代生命科学中的研究热点之一。下 面择几个较重要问题加以探讨：
（涉及51个细菌属）。链霉菌基因组见下图：
二、链霉菌抗生素生物合成相关基因簇
研究已知，链霉菌抗生素生物合成相关基因在 链霉菌细胞中有两种存在方式：一是大多数抗生素其 生物合成基因存在于染色体上。二是少数抗生素的生 物合成基因存在于游离状态的质粒上，如天蓝色链霉 菌3（2）菌株中的次甲霉素（Methylenomycin）
三、链霉菌抗生素抗性（耐药）基因 （Antibiotic resistance gene）
抗生素普遍存在于环境中（尤其是土壤 环境中），对细菌的生存造成了压力。在长期 的进化过程中，抗生素耐药基因在细菌中已经 普遍存在，这是自然选择的结果。在非抗生素 产生菌中，抗生素耐药基因的表达主要是为了 应对环境的抗生素压力。
2、 抗生素耐药基因的抗抗生素种类（选择性） 与其位置有关。抗生素耐药基因对抗生素的选 择性不同，其中具有较强的抗生素选择性耐药 基因往往与抗生素合成基因成簇存在，而表达 多种抗生素耐药性的基因则不与抗生素合成基 因成簇存在。
如始旋链霉菌（S．pristinaespiralis）能够合
成链阳菌素类抗生素原霉素（Pristinamycin），它 是两种结构不同的分子的混合物，即原霉素Ⅰ（环形 十六肽）和原霉素Ⅱ（多不饱和大环内酯）。从始旋
的生物合成基因位于SCP（1）质粒上。
链霉菌抗生素生物合成相关基因在染色体 或质粒上往往成簇排列, 构成基因簇（Gene cluster）。包括抗生素的生物合成基因、耐 药基因、转运基因和调节基因，而耐药、转运 与调节基因三者大多与抗生素生物合成基因紧 密连锁并存在一种协同调节机制。
例如目前用于治疗急性白血病 (Leukemia)与淋巴瘤(Lymphomas)有良好 疗效的阿克拉霉素（Aclacinomycin），它 是由Streptomyces galilaeus 合成的聚酮类 化合物，其合成酶的生物合成涉及13个基因，