伯豪生物助力格尔德霉素产量的提高

研究背景

近年来，基因组和转录组测序技术的发展使研究人员对放线菌的代谢网络有了更加深入的了解。I型聚酮化合物-格尔德霉素是一种很有效的抗肿瘤药物。本研究作者通过对格尔德霉素（geldanamycin）产生菌Streptomyces hygroscopicus （S. hygroscopicus）XM201进行基因组测序和转录组测序，找到了格尔德霉素生物合成的关键限速步骤，并通过对关键限速步骤中基因的启动子用内源性强启动子替换的方式，使格尔德霉素的产量得到了很大程度的提高。

研究结果

1. S. hygroscopicus XM201的全基因组测序

采用Illumina HiSeq2500和PacBio® RS II System结合的方法（由伯豪生物完成）对其进行了全基因组测序，并将基因组测序结果与已有的链霉菌测序结果进行了对比。S. hygroscopicus XM201的核心区域与其他链霉菌类似，但非核心区域较大，约为6.0Mb。

在XM201中有45个次级代谢产物合成基因簇，其中有10个合成基因簇编码聚酮化合物，包括格尔德霉素。

2. geldanamycin生物合成相关基因

XM201中的geldanamycin生物合成基因簇大小为70 kb, 包含23 个ORFs。需要注意的是，前体AHBA合成相关的基因距离geldanamycin生物合成基因簇为8.8Mb。

3.聚酮合成酶相关基因被认为是格尔德霉素产量的限速步骤

在七天的发酵过程中，格尔德霉素的快速积累发生在第一天到第四天。为了搞清楚格尔德霉素产量的限速基因，对第四天的发酵样品进行了取样及全转录测序（由伯豪生物完成）。发现聚酮链延伸中的相关基因为格尔德霉素产量的限速基因。

4.筛选格尔德霉素产量提高的强启动子

为了筛选强启动子，XylE作为评估各启动子活性的报告基因。通过对第一天样本中各启动子的XylE活性实验和对四个强启动子5063p, 6214p, 7138p和7359p发酵1-4天的XylE活性实验，5063p被确认为提高格尔德霉素的聚酮合成相关基因表达水平的强启动子。

5.强启动子5063p使格尔德霉素的产量得到了提高

将gdmA1p替换为强启动子5063p后，基因gdmA1和gdmA3的表达水平得到了明显的提升，格尔德霉素的产量相对于原始菌株也提高了39%。

6. AHBA生物合成相关基因的过表达使格尔德霉素产量进一步提高

3-氨基-5-羟基苯甲酸（AHBA）为格尔德霉素生物合成的前体物质。通过外源添加AHBA实验表明，在替换为强启动子5063p的菌株中，AHBA的低表达量成为新的限速步骤。故通过用强启动子5063p替换AHBA合成基因的启动子，使格尔德霉素产量获得了进一步提高，相对于原始菌株提高了88%。

原文出处：Wang X, Ning X, Zhao Q, Kang Q, Bai L. Improved PKS gene expression with strong endogenous promoter resulted in geldanamycin yield increase. Biotechnol J. 2017.