一组生物合成创新霉素或开环创新霉素的基因簇的制作方法

文档序号：16741323发布日期：2019-01-28 13:01阅读：2366来源：国知局

本发明属于医药技术领域，具体而言，涉及一组合成创新霉素的基因簇。

背景技术：

创新霉素(chuangxinmycin，简称cm，化学结构见图1)是20世纪70年代中国医学科学院医药生物技术研究所(原名：中国医学科学院抗菌素研究所)首先发现的一个具有含氮、含硫杂环新骨架的抗生素，由从我国山东济南土壤中分离的1株游动放线菌(actinoplanestsinanensiscpcc200056)产生。在临床上，cm对大肠杆菌等细菌感染所引起的败血症、尿路感染、胆道感染和婴儿腹泻等有一定疗效，临床试用的有效率达77.86％[1]。

由于cm具有新颖的骨架结构和良好的抑菌活性，国内外学者对其进行了多方面研究。在化学方面，已确定cm的绝对构型[2]并建立了cm化学全合成路线，获得了一系列cm衍生物[3-5]；在生物学活性方面，已证实cm的抗菌作用是通过选择性抑制色氨酸trna合成酶活性实现的[6]；在生物合成方面，戚天庆等从cm产生菌中分离纯化了一种可能参与催化cm生物合成的吲哚丙酮酸甲基转移酶[7]，左利杰等从cm产生菌中分离得到3-去甲创新霉素(demethyl-chuangxinmycin,dcm,图1)，但目前还不清楚dcm是cm生物合成过程中出现的中间产物还是支路产物[8]；许津等利用同位素标记实验推测cm分子中的硫原子可能来源于半胱氨酸(cys)的巯基[9]，以及周锡漳等探讨了维生素b12在cm生物合成中的作用[10]。但是到目前为止，cm的生物合成基因簇尚未报道，关于cm中硫原子的掺入机制以及c-s键(碳硫键)的形成等生物合成机制仍为未知。因此，cm生物合成基因簇的解析将阐明其生物合成机制及调控机制，为利用遗传操作提高其产量，或者获得新结构衍生物用于新药发现奠定基础。

众所周知，在微生物次级代谢产物的生物合成基因簇中，其抗性基因和生物合成基因往往共同存在以保护产生菌免于其产生的抗生素的损害。吲哚霉素(indolmycin)和cm的抗菌机制相同，也属于色氨酸trna合成酶抑制剂。2015年，du等在吲哚霉素产生菌全基因组范围内扫描色氨酸trna合成酶的同源基因从而发现吲哚霉素的生物合成基因簇[11]。我们推测，在cm生物合成基因簇内可能存在色氨酸trna合成酶基因。

另一方面，创新霉素结构中一个显著特征是其含有s元素，s的掺入以及c-s键的形成应为其生物合成的主要步骤。到目前为止，次级代谢产物生物合成过程中s的掺入机制仍所知甚少。2014年，sasaki等报道了amycolatopsisorientalissubsp.vineariaba-07585中次级代谢产物be-7585a生物合成中s的掺入机制[12]：利用原核生物初级代谢中维生素b1(thiamine)、钼蝶呤、半胱氨酸/甲硫氨酸等的硫原子掺入机制，即硫载体蛋白(sulfur-carrierprotein,scp)、scp活化蛋白等共同完成。在be-7585a生物合成基因簇内存在催化维生素b1中噻唑合成酶thig[13]的同源蛋白bexx，但该基因簇中不含有scp；在基因组中存在几个scp的同源蛋白(this,moad,cyso和moad2)，但仅有唯一的scp活化蛋白thif的同源蛋白moez(c-端还含有硫氰酸酶结构域，催化活化的scp的硫醇化)。sasaki等通过实验证实a.orientalis中此三个元件(bexx，scp，moez)负责be-7585a中2-硫糖结构的s的掺入。

技术实现要素：

本发明首先涉及创新霉素生物合成的基因簇，所述的基因簇依次包含cxna、cxnb、cxnc、cxnd、cxne、cxnf、cxnt、cxnr、trprs九个关键功能基因，以及在创新霉素分子中引入s元素所必需的thig、moez基因，九个关键基因和thig、moez基因的核苷酸序列分别为如seqidno.2～12所示，包含cxna、cxnb、cxnc、cxnd、cxne、cxnf、cxnt、cxnr、trprs九个关键功能基因的基因片段序列如seqidno.1所示，

本发明还涉及创新霉素生物合成基因簇中的各个功能蛋白：

cxna为依赖于维生素b12的自由基s-腺苷甲硫氨酸家族的c-甲基转移酶，其功能为催化吲哚丙酮酸甲基化生成3-甲基吲哚丙酮酸；

cxnb为氨基转移酶，其功能为将创新霉素的生物合成前体色氨酸(l-trp)中的氨基转变为酮基，形成吲哚丙酮酸；

cxnc为还原酶，其功能为将3-甲基吲哚丙酮酸的酮基还原为羟基，形成3-吲哚-2-羟基丁酸；

cxnd为细胞色素p450酶，其功能为催化cm的开环结构(secochuangxinmycin,scm)中的s原子和c原子形成c-s键，形成cm；

cxne为硫载体蛋白，在jamm金属蛋白酶家族的cxnf的作用下，c-末端10个氨基酸残基被水解露出双甘氨酸基序，而后先在scp活化蛋白moez(n-端为类似于scp活化蛋白thif的结构域)作用下生成腺苷酰化的scp，再在moez的c-端硫氰酸酶结构域的作用下形成硫醇化的scp，即为硫原子的供体；

cxnf为jamm金属蛋白酶家族成员，其功能为酶切cxne的c-末端10个氨基酸残基，露出双甘氨酸基序；

cxnr为转录调控蛋白，其功能为调节所述基因簇的表达；

cxnt为创新霉素的转运蛋白；

trprs为色氨酸trna合成酶，是创新霉素的自身抗性基因；

thig为噻唑合成酶，其功能为将硫醇化scp中的s原子转移至还原酶cxnc催化形成的3-吲哚-2-羟基丁酸的羟基，得到3-吲哚-2-巯基丁酸(即cxnd的底物，开环创新霉素)；

moez为scp活化蛋白，其作用为活化scp蛋白cxne，使其硫醇化形成硫代羧酸酯。

本发明还涉及所述的基因簇中的各个基因thig、cxna、cxnb、cxnc、cxnd、cxne、cxnf、cxnt、cxnr、trprs、moez编码的蛋白质，其氨基酸序列分别为seqidno.13～23所示。

本发明还涉及一种开环创新霉素scm，其结构式如下式所示

本发明还涉及所述的开环创新霉素scm的生物合成基因簇，包括cxna、cxnb、cxnc、cxne、cxnf、cxnt、cxnr、trprs及thig、moez十个功能基因。

本发明还涉及包括所述的开环创新霉素或创新霉素基因簇的重组载体，优选的，所述的重组载体为包含酵母菌元件(arsh4/cen6复制子和trp1筛选标记)、大肠杆菌元件(pucori复制子)和链霉菌元件(φc31整合酶及其整合位点attp、dna接合转移起始位点orit)的重组载体，最优选的，所述的重组载体为pcap01。

本发明还涉及转化了所述的重组载体的宿主，优选的，所述的宿主为酵母、大肠杆菌或链霉菌，最优选的，所述的宿主为链霉菌。

本发明还涉及通过生物发酵生产cm或scm的方法，其步骤包括：

(1)将所述cm或scm的生物合成基因簇克隆至目标宿主，

(2)发酵所述目标宿主并从发酵液中提取并纯化所述cm或scm。

本发明还涉及所述的创新霉素生物合成基因簇或所述的开环创新霉素生物合成基因簇和/或其编码蛋白在催化合成创新霉素、开环创新霉素或其类似物中的应用。

本发明还涉及所述的cxnr基因或其编码的cxnr蛋白在合成创新霉素、开环创新霉素中的应用。

本发明还涉及一种提高创新霉素、开环创新霉素产量的方法，其特征在于，在生产菌株中过表达所述cxnr基因，所述的过表达的方法为，将高表达所述cxnr基因的重组载体转入创新霉素、开环创新霉素的生产菌株中，优选的，所述的重组载体为质粒pset152，所述的生产菌株为来自中国药学微生物菌种保藏管理中心的野生型菌株actinoplanestsinanensiscpcc200056(chinapharmaceuticalculturecollection)。

本发明还涉及所述的cxnd基因或其编码的cxnd蛋白在以开环创新霉素为底物合成创新霉素中的应用。

本发明还涉及一种合成创新霉素的方法，其特征在于，以开环创新霉素为底物，发酵转化了所述cxnd基因的宿主，所述的宿主不包含所述创新霉素合成基因簇的其他基因，优选的，所述的宿主为链霉菌。

附图说明

图1、创新霉素(cm)、去甲创新霉素(dcm)及开环创新霉素(scm)的结构示意图。

图2、创新霉素生物合成基因簇及其相邻基因：thig(ats3059)与moez(ats6133)位于基因簇外，但推测参与cm的生物合成；左臂和右臂为dnaassembler方法中的捕捉臂；“deleted”为阻断菌株m1146/pcap-cm(δcxna～f)中删除基因部分。

图3、pl-cxnr的质粒图和酶切鉴定结果：

3a、pl-cxnr质粒示意图；

3b、pl-cxnr质粒酶切鉴定结果：lane1～4：ndei和xbai双酶切鉴定pl-cxnr，预计大小6kb和0.95kb；lanem：1kbplusdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,500,1000,800,500,300bp)。

图4、重组菌株的pcr验证：lanem：1kbplusdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,500,1000,800,500,300bp)；wt：cpcc200056；-：pcr的阴性对照。

图5、tlc检测各菌株中cm的产量：1～4：200056/pset152的4个单克隆；5～8：200056/pl-cxnr的4个单克隆；wt：cpcc200056；cm：创新霉素标准品。

图6、hplc检测各菌株中cm的产量：

6a、200056/pset152和200056/pl-cxnr其中一个单克隆发酵产物的hplc图；

6b、cm产量的hplc定量比较(200056/pset152与200056/pl-cxnr分别为4个和8个单克隆的统计结果)。

图7、利用dnaassembler构建质粒pcap01-cm及相关验证：

7a、pcap01-cm的构建示意图；

7b、从e.colidh5α中提取的质粒pcap01-cm进行pcr验证。lane1～2：扩增左臂片段，预计大小2265bp；lane3～4：扩增右臂片段，预计大小2225bp；lane5～6：扩增片段1，预计大小4003bp；lane7～8：扩增片段2，预计大小4101bp；lane9～10：扩增片段3，预计大小4049bp；lane11～12：扩增片段4，预计大小4388bp；lanem：1kbplusdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,500,1000,800,500,300bp)；

7c、从e.colidh5α中提取的质粒pcap01-cm进行限制性内切酶验证。lane1～2：spei酶切(28242bp)；lane3～4：ndei酶切(28242bp)；lane5～6：ecori酶切(23132，4336bp)；lane7～8：kpni酶切(10834，10483，3340，1884，1601bp)；lane9～10：xhoi酶切(12553，6319，3031，2415，1002，951，714，444，399，237，141bp)；lanem：1kbdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,000bp)。

图8、重组菌株的pcr验证：

8a、利用φc31整合位点通用引物(pset152与attb_streptomyces)进行验证。预计大小1.6kb；lanem：1kbplusdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,500,1000,800,500,300bp)；lane1,13,14：s.coelicolorm1146；lane2～6：m1146/pcap-cm(δcxnd)的5个单克隆；lane7～11：m1146/pset152的5个单克隆；lane12：pcr阴性对照；lane15～19：m1146/pcap-cm(δcxna～f)的5个单克隆；

8b、利用在删除序列的上下游设计的引物(cm-23k-1和cm-23k-2)进行验证。lanem：1kbdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,000bp)；lane1：pcr阴性对照；lane2：s.coelicolorm1146；lane3～7：m1146/pcap-cm的5个单克隆，预计大小5,851bp；lane8～15：m1146/pcap-cm(δcxna～f)的8个单克隆，预计大小741bp；

8c、利用φbt1整合位点设计引物(bt1-m1146-f1与bt1-m1146-r1)进行验证。预计大小1.0kb；lanem：1kbplusdnaladder(10,000,8,000,6,000,5,000,4,000,3,000,2,000,1,500,1000,800,500,300bp)；lane1～8：m1146/pcap-cm(δcxnd)/pij10500的8个单克隆；lane9～20：m1146/pcap-cm的12个单克隆；lane21：s.coelicolorm1146；lane22：m1146/pcap-cm(δcxnd)。

图9、lc-ms分析异源表达产物：

9a、各菌株发酵产物的hplc分析；i、野生型菌株发酵产物的hplc分析；ii、m1146/pset152发酵产物的hplc分析；iii、m1146/pcap-cm发酵产物的hplc分析；iv、m1146/pcap-cm(δcxna～f)发酵产物的hplc分析；v、m1146/pcap-cm(δcxnd)发酵产物的hplc分析；

9b、图a中各个峰的ms分析图；依次为1(即cm)的ms分析图、2(即dcm)的ms分析图、3(即scm)的ms分析图；c、cm、dcm和scm的紫外吸收光谱；

9c、cm、dcm和scm的紫外吸收光谱。

图10、cm与scm的二级高分辨质谱图：

10a、创新霉素的二级高分辨质谱图；

10b、开环创新霉素的二级高分辨质谱图。

图11、cm生物合成过程示意图：

11a、硫载体蛋白的活化；

11b、cm生物合成途径分析。

具体实施方式

材料与方法

1、菌株、质粒和培养方法

野生型菌株actinoplanestsinanensiscpcc200056来自中国药学微生物菌种保藏管理中心(chinapharmaceuticalculturecollection)，其培养和固体发酵均使用isp2培养基(bdno.277010)，接合转移使用threemedium65培养基[23]；streptomycescoelicolorm1146及其相关链霉菌菌株的培养和接合转移均使用ms培养基[24]，固体发酵使用isp2培养基；培养和发酵均于28℃恒温培养7d；所有菌株提取基因组dna时都使用液体φ培养基[25]培养。saccharomycescerevisiaevl6-48是用来克隆生物合成基因簇的宿主菌，使用ypad培养基培养[20]，利用dnaassembler进行克隆时使用sd-trp培养基(sigmano.630411和630413)进行筛选，培养温度30℃。escherichiacolidh5α作为通用的大肠杆菌克隆宿主[26]，e.coliet12567/puz8002是用于在大肠杆菌及链霉菌之间进行接合转移的宿主[27]，二者使用lb培养基37℃恒温培养。当需要用抗生素时，它们的工作浓度如下：阿普霉素(apramycin,am,50μg/ml)，潮霉素(hygromycinb,hyg,200μg/ml)，卡那霉素(kanamycin,km,50μg/ml)，氯霉素(chloramphenicol,cm,30μg/ml)和萘啶酮酸(nalidixicacid,nd,25μg/ml)。本文中所有的菌株和质粒见表1，引物见表2。

表1、菌株和质粒

am^r,apramycinresistance；km^r,kanamycinresistance；cm^r,chloramphenicolresistance；hyg^r,hygromycinbresistance

表2、引物

restrictionendonucleaserecognitionsequencesintroducedbytheoligonucleotidesarebold.

2、提取高质量的actinoplanestsinanensiscpcc200056基因组

将a.tsinanensiscpcc200056接种于100ml的φ培养基中，28℃，230rpm振荡培养24h。5,000rpm离心10min收集15ml菌体，并用ste缓冲液(10mmtris-hcl,1mmedta,ph8.0)洗涤菌体一次。用5mlste缓冲液重悬菌体，加入终浓度为5mg/ml的溶菌酶，在37℃恒温水浴中孵育30min。然后加2ml2％sds轻轻混匀后，加入等体积的酚：氯仿：异戊醇(25:24:1)，在室温下轻轻摇匀10min，5,000rpm,4℃离心10min。将上清液转移到新的离心管中。加rnasea至终浓度15μg/ml，在37℃恒温水浴中孵育30min，然后加入等体积的酚：氯仿：异戊醇(25:24:1)，在室温下轻轻摇匀10min，5,000rpm,4℃离心10min。将上清液转移到新的离心管中。重复抽提1～2次，直至界面没有白色变性蛋白的存在。加入等体积的氯仿抽提一次以除去残留的酚，5,000rpm,4℃离心10min。

将上清液转移到新的离心管中，加入1/20体积的5mnacl和等体积异丙醇，轻轻地充分混匀至dna沉淀。用灭菌的玻璃棒缠绕dna，将其移至新的离心管中，70％的乙醇洗涤一至两次，室温晾干后溶于500μlddh2o，保存于4℃备用。经电泳检测符合送样要求后，送样测序。

3、菌株发酵及产物的tlc、hplc和lc-ms分析

本文中所有菌株都采用isp2培养基进行固体发酵，在28℃恒温摇床间中倒置培养7d，然后将每个isp2平板培养物切碎成1cm×1cm的小方块，用2倍体积乙酸乙酯萃取48h，最后将乙酸乙酯萃取液浓缩至相同体积(250～500μl)，获得固体发酵产物。

硅胶板tlc分析的点样量为5μl，展开剂系统为乙酸乙酯-正己烷-二氯甲烷-冰醋酸，9:7:6:0.2，v/v，分别在254和365nm观察。

将最终的乙酸乙酯萃取液过滤，滤膜为0.22μm有机相专用，滤液进行hplc分析。hplc条件包括：1、xselectcsh^tmc18色谱柱(4.6×150mm,5μm,waters,ireland)或eclipseplusc18色谱柱(4.6×150mm,5μm,agilent,america)或capcellpakadme色谱柱(4.6×250mm,5μm,shiseido,japan)；2、流动相a：0.1％ch3cooh，流动相b：乙腈；3、梯度洗脱:在30min内，0.1％ch3cooh-mecn从85(a):15(b)逐渐变换到0(a):100(b)；4、流速设定为1.0ml/min；5、检测波长设定为254nm；6、柱温和检测池温度均为室温(25℃)。

进行lc-ms分析时，hplc条件相同，将流速改为0.8ml/min。使用的仪器为1290(lc)-1956singlequadrupolems(agilent,america)或1100(lc)-6300msdtrapms(agilent,america)；ms条件为：电喷雾(esi)离子源，负离子全扫描模式，电喷雾电压：4.5kv；加热毛细管温度：325℃；载气：n2。

将化学合成的cm标准品和利用hplc制备纯化的scm进行hresims和hresims-ms分析，使用的仪器为qstartmelitelc/ms/mssystem(appliedbiosystems/msdsciex,singapore)，配有esi源，采用负离子tof扫描模式。

4、actinoplanestsinanensiscpcc200056与e.coliet12567/puz8002之间的接合转移

借鉴文献报道的actinoplanesfriuliensis的接合转移方法[23]建立a.tsinanensiscpcc200056的遗传操作系统。a.tsinanensiscpcc200056在isp2平板上于28℃培养7d，然后将培养好的菌体铲下一个大小约1cm×1cm的菌块接种至100mltsb液体培养基中，28℃，220rpm，振荡培养约96h；然后以10％转接至50mltsb液体培养基中，28℃，220rpm，振荡培养约16h；再以20％转接至50mltsb液体培养基中，28℃，220rpm，振荡培养约1～5h，然后离心收集菌丝体(5,000×g,10min)，重悬于8～10mltsb中。过夜培养的15ml大肠杆菌供体菌用15mllb洗涤2次，最后重悬于1～2mltsb中。将200μl大肠杆菌供体菌与200μlactinoplanestsinanensiscpcc200056的菌丝体均匀混合后(二者的浓度均接近于10⁸cells/ml)，涂布在含有20mmmgcl2的threemedium65平板[23]，放入28℃恒温摇床间中倒置培养约16～18h后，向每块平板表面覆盖3ml含有萘啶酸(nd,终浓度为25μg/ml)和阿普霉素(am,终浓度为50μg/ml)的水，在超净台内吹干后放入28℃继续培养，大约3～5d以后挑取接合子，在isp2(含50μg/mlam)平板划线扩大培养，约7d后将菌株接种于5ml的φ培养基，28℃，220rpm振荡培养24～48h，利用magen公司的细菌dna小量提取试剂盒提取基因组总dna，然后进行pcr验证。

5、dnaassembler获取cm生物合成基因簇

saccharomycescerevisiaevl6-48在固体ypad培养基上进行活化，30℃培养2d，挑取单克隆，接种至3ml液体ypad培养基中，30℃，250rpm，振荡培养过夜。次日转接至50ml液体ypad培养基中，调节od600接近于0.2，30℃，250rpm，振荡至od600接近于0.8，离心收集下层酵母菌体(4℃，4,000×g,10min)，用50ml预冷的ddh2o洗涤一次，再次离心收集菌体，加1ml预冷的ddh2o重悬菌体，而后转移至已灭菌的ep管中，离心收集菌体(4℃，4,000×g,1min)，加1ml预冷的1m山梨醇洗涤菌体，重复3次，最后将菌体重悬于200μl的1m山梨醇中，50μl/管进行分装，而后准备进行电转化。

准备用于电转化的dna片段：捕捉载体pcap-cm-lr先用ecori进行线性化处理，回收后用ciap进行5’端脱磷处理，最后得到线性dna片段；其他四个片段通过pcr获得高质量的dna片段；相邻两个片段间的重叠区为100～800bp；将500-600ng的每个片段(大小约4k)和2μg的线性载体片段混匀，加乙醇进行沉淀，最后溶于4μlddh2o。

将4μldna片段与50μl酵母感受态细胞混匀，加入预冷的电击杯中进行电转化(电压：1.5kv)，而后立即加入1ml30℃预热的ypad液体培养基，30℃，250rpm，振荡培养约1h。离心(17,000×g,30s)弃上清，加1ml室温的1m山梨醇洗涤菌体重复3次，最后将菌体重悬于1ml1m山梨醇中。分别取100μl、300μl和600μl菌液均匀涂布在sd-trp平板，在30℃培养箱中倒置培养约2～3d后，可见克隆子产生。

挑取单克隆在sd-trp平板上划方格，30℃培养2d，进行菌落pcr验证。验证正确的单克隆接种于3mlsd-trp液体培养基中，30℃，250rpm，振荡培养约18h，离心收集菌体后，加入蜗牛酶(2u/μl)10μl，37℃温育30min～1h，离心收集原生质体，而后提取质粒转化e.colidh5α，挑选单克隆，提取质粒进行pcr和酶切验证。

实施例1、创新霉素合成基因簇的生物信息学分析

我们首先对cm产生菌济南游动放线菌(actinoplanestsinanensiscpcc200056)进行dna提取，利用全新三代测序pacbiorsii平台结合二代测序illuminahiseq4000平台对其全基因组dna进行测序，拼接组装获得其基因组精细图(该高通量测序工作由北京华大基因(beijinggenomicsinstitute)完成)。a.tsinanensiscpcc200056的基因组包含一个大小为7,685,618bp的线性基因组和一个13,534bp的环状质粒，g+c含量分别为70.3％和69.0％。经基因注释分析后发现，基因组分析含有7,060个编码基因，其中7,041个位于染色体上、19个位于环状质粒上。

对cm产生菌a.tsinanensiscpcc200056基因组进行蛋白序列同源分析发现，在全基因组中存在唯一的thig(噻唑合成酶)同源蛋白(ats3059)、唯一的moez同源蛋白(ats6133，scp活化蛋白)和几个scp同源蛋白(ats3085、ats3815、ats4181、ats4502、ats4708)，而其中ats4181与色氨酸trna合成酶(trprs，吲哚霉素生物合成基因簇中ind0亦为trprs)的同源基因(ats4186)相邻，在此附近还有吲哚霉素生物合成基因簇中存在的色氨酸氨基转移酶(ind8)的同源基因(ats4179)，因此初步将cm的生物合成基因簇定位于此，命名为cxn基因簇(图2)。分析cxn中的序列：cxna编码依赖于维生素b12的自由基s-腺苷甲硫氨酸家族的c-甲基转移酶；cxnb编码色氨酸氨基转移酶，与indolmycin生物合成中的ind8[11]及thienodolin生物合成中的thnj[14]同源；cxnc与pane、apba同源，编码2-脱氢泛解酸-2-还原酶；cxnd编码细胞色素p450类的氧化还原酶；cxne编码scp；cxnf编码未知功能蛋白，与thienodolin生物合成中的thnf[15]同源，分析三维结构时发现其含有mpn结构域，属于jamm(jab1/mpn/mov34)金属蛋白酶家族，并且含有保守的jamm基序(jammmotif,exnhs/thx7sx2d，x代表任意氨基酸)；cxnt编码转运蛋白；cxnr编码lysr家族转录调控因子；trprs编码色氨酸trna合成酶(表3)。

表3、创新霉素生物合成基因簇及功能

ats4177功能分析：

ats4177通过blastp未找到已知功能的同源蛋白，但通过在线的hhpred对三维结构相似性进行分析时发现与分子伴侣pqqd具有很高的同源性，pqqd可以与pqqe(编码自由基s-腺苷甲硫氨酸家族的酶)相互作用从而参与或影响其功能，因此推测ats4177可能通过与cxna(为依赖于维生素b12的自由基s-腺苷甲硫氨酸家族的c-甲基转移酶)相互作用参与甲基化过程。

ats4183(cxnf)功能分析：

通过蛋白序列比对并未发现与之序列相似的已知功能蛋白，但分析此蛋白的三维结构时发现其含有mpn结构域，属于jamm(jab1/mpn/mov34)金属蛋白酶家族。jamm蛋白可以分为两类：一类为jamm/mpn⁺亚家族，是金属蛋白酶，具有催化活性，并且在活性中心含有保守的jamm基序(jammmotif,exnhs/thx7sx2d，x代表任意氨基酸)；另一类为jamm/mpn^-亚家族，缺少催化活性，只作为多亚基复合物的一个组分。有报道发现有一些jamm蛋白酶参与硫转运途径，比如萤光假单胞菌(pseudomonasfluorescens)中合成含硫的thioquinolobactin(一种铁载体，siderophore)需要qbse(scp)的参与，但qbse蛋白在其c-端的双甘氨酸基序(gg，diglycinemotif)后还有两个氨基酸残基(cf)，即以前体形式存在，而jamm蛋白酶qbsd可以将qbse前体蛋白中的这两个氨基酸残基水解掉以利于scp激活蛋白(moez)进行后续的腺苷酰化，实现硫转运功能。将cxnf与已知的jamm/mpn⁺亚家族蛋白(包括qbsd)进行序列比对发现cxnf中也含有保守的jamm基序，而在cxn基因簇中scp(cxne)的c末端在双甘氨酸基序(diglycinemotif)后还有10个氨基酸残基，因此我们推测cxnf的功能是水解cxne的c末端的10个氨基酸残基，释放双甘氨酸基序以利于进行腺苷酰化，从而激活cxne。

实施例2、调节基因cxnr的功能分析

在cm生物合成基因簇内存在一个可能的途径特异性调节基因cxnr，基因全长942bp，编码313个氨基酸。将cxnr的蛋白序列在genbank中进行blastp分析，发现与amycolatopsisluridanrrl2430中的lysr家族转录调控因子同源，一致性为37％；与streptomyceshygroscopicusvar.ascomyceticusatcc14891中安莎霉素生物合成的正调控蛋白fkbr1具有35％的一致性[16]。在产生菌对此调节基因进行过表达，分析创新霉素的产量，初步判断此基因簇是否负责创新霉素的生物合成。

载体pl646[17]来源于整合型质粒pset152，其不含链霉菌复制子，含有φc31attp位点，可以整合至链霉菌基因组中的attb位点，在多克隆位点上游含有强启动子erme*p和tuf1基因的sd序列。克隆cxnr的编码区至pl646的ndei和xbai位点，经酶切鉴定正确后得到重组质粒pl-cxnr(图3)。

cm的产生菌济南游动放线菌属于稀有放线菌，能形成孢囊，孢囊孢子微游动，在isp2固体培养基上于28℃培养7d时，孢子在孢囊内，故而不适合采用传统的接合转移方法进行遗传操作。经调研和实验，成功建立了a.tsinanensiscpcc200056的遗传操作系统(见材料与方法部分)。将过表达质粒pl-cxnr和对照质粒pset152通过转化导入甲基化缺失的e.coliet12567/puz8002菌株中，然后通过菌丝体接合转移导入a.tsinanensiscpcc200056中，从而获得过表达菌株200056/pl-cxnr和对照菌株200056/pset152。提取重组菌株的基因组dna，进行pcr验证。验证引物(pset152与attb_streptomyces)一端在基因组上，一端在质粒上，预计大小约1.6kb，如图4所示。

将验证正确的过表达菌株200056/pl-cxnr、对照菌株200056/pset152和野生型菌株cpcc200056利用isp2培养基进行固体发酵，将新鲜孢子悬液作为种子涂布接种于isp2平板(直径9cm，含25ml培养基)，每块isp2平板的接种量一致，约5×10⁵个孢子，而后在28℃恒温摇床间中倒置培养7d，然后将每个isp2平板培养物切碎成小方块，用2倍体积乙酸乙酯萃取48h，最后将乙酸乙酯萃取液浓缩至相同体积(250～500μl)，获得固体发酵产物。首先对各发酵产物进行tlc检测分析(图5)，结果发现对照菌株200056/pset152与野生型菌株cpcc200056中的cm条带灰度相当，而过表达菌株200056/pl-cxnr中的cm条带则明显加深，提示cm产量有所提高。

为了进一步定量分析各菌株发酵产物中的cm产量，我们进行了hplc分析。利用峰面积进行相对定量分析(图6)，结果表明200056/pl-cxnr中的cm产量比200056/pset152中的cm产量提高了98％，此结果表明cxnr参与了cm生物合成的调控，可能为其途径特异性正调控基因，提示其所在的基因簇是cm生物合成基因簇。

实施例3、cm生物合成基因簇及cxnd基因的功能分析

为了进一步确证cm的生物合成基因簇，我们采用近年来发展起来的克隆大片段的新兴技术─dnaassembler[18]克隆分析的cm生物合成基因簇，然后导入s.coelicolorm1146[19]中进行异源表达分析。dnaassembler是利用酵母菌中高效的同源重组机制来一步获得化合物的生物合成基因簇。本工作中将基因簇左右两端约2kb片段作为捕捉臂插入载体pcap01[20]中即得到pcap-cm-lr，其中pcap01包含酵母菌元件(arsh4/cen6复制子和trp1筛选标记)、大肠杆菌元件(pucori复制子)和链霉菌元件(φc31整合酶及其整合位点attp、dna接合转移起始位点orit)使其可在三种菌之间穿梭。将含有cm生物合成基因簇(ats4175-4190)的序列分成4个片段设计引物，通过高保真dna聚合酶进行pcr得到dna片段后，与线性化的捕捉载体(pcap-cm-lr)一同通过电转化导入酿酒酵母中，利用同源重组进行拼接(相邻两片段之间均有一定的重叠)，得到含有cm生物合成基因簇的重组质粒pcap01-cm(图7a)。

从酿酒酵母中提取pcap01-cm导入大肠杆菌中，经pcr和酶切鉴定正确后(图7b、c)，利用pcr-targeting[21]将卡那霉素抗性基因替换为阿普霉素抗性基因，然后将质粒进行测序，结果发现cxnd(编码404个氨基酸)中由于pcr引入了一个点突变，造成第149位氨基酸由原来的glu(gaa)突变为终止密码子(taa)，因此将该质粒命名为pcap-cm(δcxnd)，而后通过接合转移导入s.coelicolorm1146[19]中得到异源表达菌株m1146/pcap-cm(δcxnd)，同时将m1146/pset152作为对照。

考虑到cxnd基因中引入了点突变，会由于提前终止蛋白表达而造成功能失活，因此将完整的cxnd基因导入m1146/pcap-cm(δcxnd)中进行功能回补。由于pcap-cm(δcxnd)是整合在基因组的φc31整合位点上，因此将cxnd的编码区克隆至含有φbt1整合酶及其整合位点的pij10500[22]载体上，同时在cxnd的上游引入组成型强启动子erme*p即得到重组质粒pij-cxnd，测序正确后通过接合转移导入m1146/pcap-cm(δcxnd)中获得含有完整的cm生物合成基因簇的异源表达菌株m1146/pcap-cm，同时也将pij10500导入m1146/pcap-cm(δcxnd)中获得对照菌株m1146/pcap-cm(δcxnd)/pij10500。

质粒pcap-cm(δcxnd)中仅在cxn基因簇cxna～f中存在4个ecori酶切位点，用ecori酶切后的大片段自连产生的质粒大小约23kb，删除了大部分的生物合成基因(包括cxnabcdef)，约5.1kb，将此质粒命名为pcap-cm(δcxna～f)。经pcr和酶切验证正确后将其通过接合转移导入s.coelicolorm1146中得到阻断菌株m1146/pcap-cm(δcxna～f)。所有重组菌株均提取基因组，而后经pcr鉴定正确(图8)。

将所有重组菌株m1146/pcap-cm、m1146/pcap-cm(δcxna～f)和m1146/pcap-cm(δcxnd)、对照菌株m1146/pset152和野生型菌株在isp2培养基中同步地进行固体发酵，经乙酸乙酯萃取得到发酵产物，然后进行lc-ms分析。

发酵结果分析，

一、cm生物合成基因簇功能分析

与对照菌株m1146/pset152相比，m1146/pcap-cm的hplc峰形图上存在明显差异(图9a-ii、iii)，在18.1min和16.9min处都出现了差异峰(1、2)，提取分子离子图发现[m-h]^-分别为232和218(图9b)，与野生型菌株cpcc200056中的cm与dcm的出峰时间和分子量相同(图9a-i)，并且两者的uv最大吸收峰为230nm和300nm(图9c)。而在阻断菌株m1146/pcap-cm(δcxna～f)中则没有出现这两个峰(图9a-iv)。以上结果说明cm生物合成基因簇在异源宿主s.coelicolorm1146中成功表达产生cm及其类似物，确证其为cm生物合成基因簇。

二、cxnd基因功能的分析

在cxnd基因功能缺失的异源表达菌株m1146/pcap-cm(δcxnd)及m1146/pcap-cm(δcxnd)/pij10500中，没有发现产物cm和/或dcm，但是在18.8min处出现一个新峰(3)，出峰时间与cm接近，其分子离子峰m/z234[m-h]^-，比cm(m/z232[m-h]^-)多2da(图9b)。而且，此新化合物的uv图谱显示其峰形与cm相似(图9c)，最大吸收峰为220nm和280nm(cm的最大吸收峰为230nm和300nm)，其中波长较大的特征峰为cm中富电子基团(如o，s等)的芳香大共轭系统π-π*跃迁引起，若失去与芳香环相连的富电子基团，该特征峰将发生蓝移(向短波方向移动)。结合化合物cm化学结构，我们推测新出现的化合物可能是在生物合成过程中cm的芳香环外c-s键没有形成的产物。这一推测得到了lc-hrms/ms结果的确证。

为了解析新化合物的结构，我们将此差异峰进行收集浓缩，而后利用高分辨质谱进一步分析，在负离子模式ms/ms图中(图10b)，分子离子峰为m/z234.0600，对应分子式c12h11no2s(理论值：234.0606[m-h]^-)，经过一定能量裂解之后得到了多个碎片离子，其中丰度较大的三个碎片离子分别为115.9555、141.9682、173.9387，根据cm化合物同等条件下的ms/ms结果可以推导出该化合物裂解过程(图10)，因此该化合物的结构如图所示(图10b与图1)，为cm的开环结构(secochuangxinmycin,scm，图1)。该结果提示cxnd基因编码的cxnd蛋白参与c-s键的形成。

实施例4、创新霉素生物合成过程分析

结合上述实施例1-3的结果和生物信息学分析结果，对cm生物合成过程做如下分析(图11)：

图11硫载体蛋白的活化(a)和cm生物合成途径分析(b)。

1、jamm金属蛋白酶家族的cxnf水解cxne(scp)末端的10个氨基酸残基后露出双甘氨酸基序，而后先在scp活化蛋白moez(n-端为类似于scp活化蛋白thif的结构域)作用下生成腺苷酰化的scp，再在moez的c-端硫氰酸酶结构域的作用下形成硫醇化的scp，即为硫原子的供体。

2、另一方面，前体色氨酸(l-trp)中的氨基在氨基转移酶cxnb的作用转变为酮基形成吲哚丙酮酸，然后在c-甲基转移酶cxna的催化下形成3位甲基化的吲哚丙酮酸(3-甲基吲哚丙酮酸)，再在还原酶cxnc的作用下将酮基还原为羟基形成3-吲哚-2-羟基丁酸，而后在噻唑合成酶thig的作用下将硫醇化scp中的巯基替换羟基得到3-吲哚-2-巯基丁酸，即开环cm(scm)，最后在p450氧化还原酶cxnd的作用下形成c-s键，得到创新霉素。

最后需要说明的是，以上实施例仅用作帮助本领域技术人员理解本发明的实质，并不用做对本发明保护范围的限定。

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sequencelisting

<110>中国医学科学院医药生物技术研究所

<120>一组生物合成创新霉素或开环创新霉素的基因簇

<160>39

<170>patentinversion3.3

<210>1

<211>21665

<212>dna

<213>actinoplanessp.

<400>1

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