深圳先研院国家级青年人才携手资深院士和深圳湾实验室青年人才Nat Metab-合成生物学-通过共进化分析阐明增强天然产物生物合成的基因
- 2026-06-12 20:06:59
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一、中文标题
通过共进化分析阐明增强天然产物生物合成的基因（Elucidation of genes enhancing natural product biosynthesis through co-evolution analysis）
二、发表单位及通讯作者
主要研究单位：
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所
丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心
加州大学伯克利分校化学与生物分子工程系
武汉大学组合生物合成与药物发现教育部重点实验室
上海交通大学微生物代谢国家重点实验室
深圳湾实验室化学生物学研究所
通讯作者：
Xiaoyu Tang（唐啸宇）
Jay D. Keasling
Xiaozhou Luo（罗小舟）
三、科学问题
如何通过系统发育与泛基因组学分析，鉴定与链霉菌中聚酮类天然产物生物合成基因簇（BGCs）共进化的关键基因，并利用这些基因开发出一种普适性工程策略，以提升不同链霉菌菌株的天然产物产量并激活沉默基因簇？
四、发表时间
时间：2024年5月
链接：https://doi.org/10.1038/s42255-024-01024-9
五、摘要
本研究通过系统发育基因组学与泛基因组学分析，在链霉菌中鉴定出597个与聚酮类生物合成基因簇（BGCs）共进化的基因。从中聚焦于“辅酶”类别中的11个基因，包括编码辅因子吡咯喹啉醌（PQQ）的pqq基因簇。实验表明，将pqq基因簇导入11种链霉菌后，能显著提升16,385种代谢物的产量，其中36种已知天然产物的产量最高提升40倍，并成功激活多个沉默BGCs。机制研究发现PQQ通过提升ATP、NAD(P)H水平和促进三酰甘油代谢，增强乙酰-CoA供应，从而普遍增强天然产物合成。该研究为链霉菌的代谢工程提供了新颖、普适的策略。
六、研究背景
微生物来源的天然产物及其衍生物在临床药物中占有重要地位，其中聚酮类药物约占全球畅销药的20%，年产值超200亿美元。链霉菌作为最重要的天然产物生产者，拥有已知最丰富的生物合成基因簇（BGCs）资源。然而，由于不同链霉菌物种在生理和代谢特性上差异显著，开发一种适用于不同菌株的通用工程策略极具挑战性。
当前提高天然产物产量的工程策略主要集中于两类：一是通过代谢工程强化前体供应或敲除竞争途径；二是通过调控基因表达（如途径特异性或全局性调控因子）。这些策略多基于对特定菌株或途径的深入研究，难以广泛应用于多样性极高的链霉菌属。
随着测序技术的普及，大量链霉菌基因组数据公开，使得从基因组层面系统性解析高产性状成为可能。研究表明，不同链霉菌物种合成天然产物的能力存在显著差异，提示可能存在支持高产能力的“关键基因”。泛基因组分析已被用于在植物、真菌和细菌中寻找与特定性状相关的基因。在链霉菌中，虽然已知某些谱系具有更多的BGCs和更高的合成潜力，但与之相关的具体基因及其功能尚不明确。
本研究假设，在那些拥有更丰富BGCs的链霉菌谱系中，存在一组与BGCs共进化、支持其生物合成能力的“辅助基因”。鉴定这些基因有望为开发普适性的链霉菌工程策略提供新靶点。
七、研究结果
结果1、链霉菌系统发育分析与PKS富集谱系鉴定
研究人员构建了包含720个高质量放线菌基因组的数据库，并通过系统发育分析将其中的201个基因组归类于链霉菌分支。进一步划分为14个进化枝，发现第12进化枝（Clade 12）的菌株具有最大的基因组、最高的G+C含量以及最丰富的聚酮合酶（PKS）结构域和BGCs，表明该谱系具有突出的聚酮合成潜能。
图1 富集图谱
结果2、在聚酮富集链霉菌中发现保守的pqq基因簇
通过比较各进化枝的核心基因组，在第12进化枝中鉴定出597个该谱系特有的保守基因。相关性分析显示，其中545个基因（91.2%）与酮合酶（KS）结构域的丰度呈显著正相关。对这597个基因进行功能分类，发现涉及调控、脂质代谢、转运、辅酶等多个类别。作为概念验证，研究聚焦于“辅酶”类别的11个基因，其中包括负责合成辅因子吡咯喹啉醌（PQQ）的pqqABCDE基因簇。
图2 基因簇发现
结果3、PQQ增强天然产物合成的机制研究
在模式菌株天蓝色链霉菌M145中异源表达来自吸水链霉菌XM201的pqq基因簇，可使内源性聚酮产物放线紫红素的产量提升20-189%。补充PQQ分子或表达完整的pqq簇具有相同效果，而缺失pqqA或pqqC的截短簇则无效，证明是成熟的PQQ分子在起作用。机制研究表明，PQQ的引入：
提升辅因子水平：使细胞内ATP水平提升32%，NADH/NAD+和NADPH/NADP+比值分别提升253%和392%。
重塑脂质代谢：促进三酰甘油（TAG）在前48小时的积累（增加2倍），并在后期加速其降解，为聚酮合成提供更多乙酰-CoA前体。
改变蛋白质组：上调了与细菌分泌、氧化磷酸化、甘油磷脂代谢等相关的299个蛋白质。
图3 机制研究
结果4、pqq操纵子对多种链霉菌的广泛效应
将pqq基因簇导入来自8个不同进化枝的11种链霉菌中，均未对菌体生长造成负担，但引起了广泛的代谢组变化。非靶向代谢组学分析显示，54%的被测代谢物（共16,385种）丰度增加。在80%的菌株中，超过一半的代谢物产量提升。
图4 链霉菌应用效应
结果5、pqq操纵子显著提升已知天然产物产量
在11种链霉菌中，pqq操纵子的引入成功提升了34种已知天然产物的产量，其中70%是聚酮或聚酮杂合产物。显著案例如下：
雷帕霉素链霉菌：雷帕霉素（免疫抑制剂）产量提升12.5倍，尼日利亚菌素（钾离子载体）提升31.5倍。
白色链霉菌：多种抗真菌化合物（如alteramides, antimycins, surugamides）产量提升2.1至38.4倍。该策略在工业菌株中也有效，使庆大霉素和安丝菌素P3的产量分别提升58%和40%。
图5 对已知天然产物的影响
结果6、pqq操纵子激活沉默生物合成基因簇
在雷帕霉素链霉菌和灰色链霉菌中，pqq的引入激活了原本沉默的BGCs，导致了新代谢产物的检测，如mediomycin-A类似物和γ-丁酸内酯SCB3。转录组分析进一步证实了多个未知BGCs中关键结构基因的上调（2-32倍）。生物活性测试表明，引入pqq的菌株发酵粗提物对包括鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌在内的多种病原菌展现出新的抑菌活性。
图6 激活效应
八、讨论
本研究创新性地将系统发育基因组学与实验验证相结合，成功鉴定出与链霉菌聚酮合成能力共进化的关键基因——pqq基因簇，并证明其是一种极其有效的普适性工程策略。PQQ通过系统性地提升细胞内能量（ATP）、还原力（NAD(P)H）和前体（乙酰-CoA）的供应，从代谢基础上广泛增强了天然产物的生物合成流量，超越了仅针对单一途径或调控靶点的传统策略。这不仅为大幅提高现有药物产量提供了新工具，也为通过激活沉默基因簇发现新抗生素开辟了新路径。该研究所建立的“共进化基因鉴定-普适性应用”研究范式，可扩展至其他微生物（如真菌）及其他类型天然产物（如非核糖体肽、萜类）的产量提升与发掘，具有重要的方法论意义和应用前景。
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