構(gòu)巢曲霉基因組研究

構(gòu)巢曲霉基因組中次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成基因簇及異源表達(dá)系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展及應(yīng)用

第二組

常磊、黃文秀、王艷、唐瑤

構(gòu)巢曲霉次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成基因和基因簇的全面闡述Part1構(gòu)巢曲霉Aspergillusnidulans形態(tài)特征及分布構(gòu)巢曲霉，屬半知菌亞門、絲孢綱、絲孢目、叢梗孢科、曲霉屬的一種真菌，拉丁名稱為Aspergillusnidulans分生孢子柄較短(75～100μm)、彎曲，近頂囊處直徑3.5～5.0μm，褐色，表面光滑。分生孢子頭短柱形，(40～80)μm×(25～40)μm。頂囊半球形，直徑8～10μm，其上有?；托」８饕粚?。小梗上著生圓而粗糙的分生孢子，直徑3.0～3.5μm。有性階段形成球形、暗紫紅色閉囊殼，直徑135～150μm，外包一層淡黃色、球形、厚壁的殼細(xì)胞。子囊孢子雙凸鏡形、紫紅色，5μm×4μm，上有雞冠狀突起。菌落生長快，圓形、綠色、絨狀，當(dāng)產(chǎn)生大量閉囊殼時(shí)呈黃褐色，背面紫紅色。分布于糧食、土壤和空氣中。研究背景絲狀真菌的一個(gè)重要特征是能夠產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，因此研究真菌的次級(jí)代謝也就成為對(duì)基因簇研究的而一個(gè)拓展?；驕y序的最新進(jìn)展表明真菌基因組擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下表達(dá)次級(jí)代謝產(chǎn)物的基因簇。這些沉默的基因簇對(duì)我們研究其次生代謝物來說是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，然而我們已經(jīng)使用了很多方法來嘗試激活它們。絲狀真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物是很有效的化合物，從這些致命的毒素中分離出的抗生素具有潛在的抗癌作用。絲狀真菌在藥物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展史上扮演著重要的角色，比如抗生素有青霉素，免疫抑制劑有環(huán)孢菌素，抗真菌劑有灰黃霉素和棘白菌素，降血脂藥有洛伐他丁都來源于絲狀真菌。許多有生物活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下容易獲得，并且已經(jīng)獲得了藥物開發(fā)專利。研究現(xiàn)狀目前，多個(gè)曲霉基因組序列已被確定，并且提出了大量有關(guān)預(yù)測次級(jí)代謝產(chǎn)物的信息。序列分析基因超表達(dá)的策略已被用來發(fā)現(xiàn)新的次級(jí)代謝產(chǎn)物以及相關(guān)生物合成的基因。曲霉基因數(shù)據(jù)庫AspGD為曲霉物種的基因注釋和蛋白質(zhì)信息提供了一個(gè)中央數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫，基因注釋包括基因本體論、表型數(shù)據(jù)分析、基因名稱及說明，這些大量的數(shù)據(jù)可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)從而進(jìn)一步開展研究。在多種曲霉中，如黑曲霉、米曲霉、黃曲霉等，構(gòu)巢曲霉作為模式生物，具有基因信息量小、容易操作、毒性小、實(shí)驗(yàn)室條件下容易培養(yǎng)等優(yōu)良條件，并且具有大量的文獻(xiàn)作為支撐，因此通過構(gòu)巢曲霉異源表達(dá)系統(tǒng)來研究其它絲狀真菌次生代謝是非常理想的。研究方法基因本體（GeneOntology，GO）：是一個(gè)在生物信息學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的本體。它是一個(gè)詞匯表，具有樹形結(jié)構(gòu)，可以電腦操作和動(dòng)態(tài)搜索。GO涉及的基因和基因產(chǎn)物詞匯分為三大類，涵蓋生物學(xué)的三個(gè)方面：①細(xì)胞組件（CellularComponent）:指基因產(chǎn)物位于何種細(xì)胞器或基因產(chǎn)物組中（如糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體、蛋白酶體等），即基因產(chǎn)物在什么地方起作用。②分子功能（MolecularFunction）：描述在個(gè)體分子生物學(xué)水平上的活性。如催化活性或結(jié)合活性。③生物學(xué)過程（BiologicalPtocess）：指由分子功能有序地組成的，具有多個(gè)步驟的一個(gè)過程。為什么要建立GeneOntology?A.解決生物學(xué)定義混亂的現(xiàn)象，使各種數(shù)據(jù)庫中基因產(chǎn)物功能描述相一致B.使得在不同生物數(shù)據(jù)庫中的查詢具有極高的一致性C.允許在各種水平查詢基因產(chǎn)物的特性GO（geneontology）對(duì)大家而言也許會(huì)是一個(gè)相對(duì)陌生的名詞，但是它已經(jīng)成為生物信息領(lǐng)域中一個(gè)極為重要的方法和工具，并正在逐步改變著我們對(duì)biologicaldata的組織和理解方式，它的存在已經(jīng)大大加快了我們對(duì)所擁有的生物數(shù)據(jù)的整合和利用，我們應(yīng)該逐步學(xué)會(huì)理解和掌握這種思想和工具。語義之間的關(guān)系isa,partof,regulates語義關(guān)系之間的推導(dǎo)isa·isaisa

partof·partofpartof線粒體胞內(nèi)細(xì)胞器細(xì)胞器線粒體細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞語義關(guān)系之間的推導(dǎo)partof·isapartof與isa

·partofpartof基因產(chǎn)物的注釋基因組注釋：(Genomeannotation)是利用生物信息學(xué)方法和工具，對(duì)基因組所有基因的生物學(xué)功能進(jìn)行高通量注釋，是當(dāng)前功能基因組學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。由參與合作的數(shù)據(jù)庫來完成的，它們使用GO的定義方法，對(duì)它們所包含的基因產(chǎn)物進(jìn)行注釋注釋需要反映在正常情況下此基因產(chǎn)物的功能，生物過程，定位等注釋必須提供支持這種基因產(chǎn)物和GO術(shù)語之間的聯(lián)系的證據(jù)GO的應(yīng)用GO的局限性：①、GO不是基因序列或基因產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫，相反的，GO強(qiáng)調(diào)基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的功能。②、GO不能反映此基因的表達(dá)情況用于基因組分析用于基因表達(dá)分析GO可能的應(yīng)用整合來自于不同生物的蛋白組信息判斷蛋白結(jié)構(gòu)域的功能找到在疾病、衰老中異常表達(dá)的基因的功能類似性預(yù)測與一種疾病相關(guān)的基因分析在發(fā)育中同時(shí)表達(dá)的基因建立起自動(dòng)的能從文獻(xiàn)中獲取基因功能信息的工具NumberofAspergillusgeneswithmanualandcomputationalGOannotationsto‘secondarymetabolicprocess’GOtermsusedforsecondarymetabolismannotationsatAspGD構(gòu)巢曲霉次級(jí)代謝合成研究的共同參照菌株----構(gòu)巢曲霉FGSCA4，該菌株最初是由CereonGenomics（孟山都）于1998年測序，2003年公開發(fā)布，更多的測序由whiteheadInstitute/MITCenterforGenomicResearch

完成。根據(jù)最新的基因注釋和基因組數(shù)據(jù)分析，最新估計(jì)是：構(gòu)巢曲霉基因組包含27個(gè)聚酮合成酶基因（PKS），2個(gè)聚酮合成酶類似酶基因（PKS-like），11個(gè)非核糖體肽合成酶基因（NRPS），15個(gè)NRPS-like基因，1個(gè)混合NRPS-PKS基因。ThestatusofannotatingsecondarymetabolitegenesinA.nidulans構(gòu)巢曲霉次生代謝基因簇AspGD名稱核心基因名基因型構(gòu)巢曲霉中分離出的代謝產(chǎn)物核心基因名稱和基因型CoregenenamepkdAsidCafoEafoGpyjAeasA

apdA

GenetypeNR-PKS非還原聚酮合酶NRPS非核糖體肽合成酶NR-PKS非還原聚酮合酶HR-PKS高度還原的聚酮合酶HR-PKS高度還原的聚酮合酶NRPS非核糖體肽合成酶Hybrid混合NRPS-PKS構(gòu)巢曲霉中分離出的代謝產(chǎn)物2-ethyl-4,6-dihydroxy-3,5-dimethylbenzaldehyde

2-乙基-4,6-二羥基-3,5-二甲基苯Ferricrocin鐵菌素:抗革蘭氏陽性菌抗生素(2Z,4Z)-4,6-Dimethylocta-2,4-dienoicacid

（2Z，4Z）-4,6-二甲基辛-2,4-二烯酸Penicillin青霉素:是抗菌素的一種，是指分子中含有青霉烷、能破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁并在細(xì)菌細(xì)胞的繁殖期起殺菌作用的一類抗生素norsolorinicacid降散盤衣酸TerrequinoneA:是由構(gòu)巢曲霉(Aspergillusnidulans)分泌的具有抗癌活性的二級(jí)代謝產(chǎn)物，有著廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。AspyridoneA,B:利培酮，用于治療急性和慢性精神分裂癥。特別是對(duì)陽性及陰性癥狀及其伴發(fā)的情感癥狀(如焦慮、抑郁等)有較好的療效。StructuresofcompoundsisolatedfromA.n基于直系同源關(guān)系的次生代謝基因注釋N/A比較多用在填寫表格的時(shí)候，表示“本欄目（對(duì)我）不適用”。在沒有東西可填寫，