原曉龍, 華 梅, 陳 劍, 王 娟, 楊宇明, 王 毅
(云南省林業(yè)科學(xué)院 云南省森林植物培育與開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家林業(yè)局云南珍稀瀕特森林植物保護(hù)和繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650204)
聚酮化合物(Polyketides, PK)是一類重要的次生代謝產(chǎn)物,已有7 000余種聚酮類化合物結(jié)構(gòu)確定,市面上聚酮類藥物已超過20種[1-2]。聚酮化合物由聚酮合酶(Polyketides synthase, PKS)催化合成,其催化過程與脂肪酸合成類似,即通過在不同的脂酰基-CoA活化底物間重復(fù)縮合進(jìn)而形成數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)豐富的次生代謝產(chǎn)物[3-4]。真菌PKS主要屬于Ⅰ型聚酮合酶,根據(jù)其所擁有結(jié)構(gòu)域可將真菌Ⅰ型PKS分為非還原型PKS (Non-reducing PKS,NR-PKS)、部分還原型PKS (Partial-reducing PKS,PR-PKS)、高度還原型PKS (Highly-reducing PKS,HR-PKS)[5-6]。NR-PKS催化β-酮鏈發(fā)生環(huán)化反應(yīng),形成單環(huán)或多環(huán)芳香聚酮類化合物,如苔色酸(orsellinic acid)[7]、黑色素(melanin)[8]、降散盤衣酸 (nonsolorinic acid)[9]等;HR-PKS催化數(shù)量龐大的線性或環(huán)狀非芳香族聚酮化合物的合成,如洛伐他汀(Lovastatin)[10]、伏馬菌素(Fumonisin)[11]、T-毒素(T-toxin)[12]等;迄今為止,在PR-PKS中,僅確定6-甲基水楊酸(6-methylsalicyclic acid)由其催化合成[13-15]。目前PR-PKS中僅6-甲基水楊酸合成酶(6-methylsalicyclic acid synthases,6-MSAS)有相關(guān)的研究報(bào)道。6-MSAS是最先從展青霉(Penicilliumpatulum)中發(fā)現(xiàn)并提純的PKS[16],其結(jié)構(gòu)類似哺乳動(dòng)物的脂肪酸合酶(Fatty acid synthase,F(xiàn)AS) ,其N端為β-酮基合成酶(Keto synthase,KS)、?;D(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域(Acyl transferase,AT)、脫水酶(Dehydratase,DH)、β-酮基還原酶(Keto reductase,KR),其C末端含有ACP結(jié)構(gòu)域,而沒有如硫酯酶釋放結(jié)構(gòu)域(Thioesterase,TE)、環(huán)化酶(Cyclase,CYC)等酯酶釋放結(jié)構(gòu)域[17]。因?yàn)?-MSAS中缺少ER結(jié)構(gòu)域,使酮基側(cè)鏈還原不徹底,所以將其歸類為PR-PKS[18]。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹的分析,6-MSAS和其他未鑒定的PR-PKS,與真菌NR-PKS、HR-PKS的關(guān)聯(lián)程度較低,而與細(xì)菌的Ⅰ型PKS關(guān)聯(lián)較為密切[5,19]。與細(xì)菌比較,真菌聚酮化合物的生物合成研究進(jìn)展極其緩慢。主要因?yàn)樵诓僮髡婧松锏倪^程中,其遺傳操作轉(zhuǎn)化體系復(fù)雜、有效酶制劑缺乏、真核生物自身含較大基因組和內(nèi)含子等[18,20]。隨著新的分子生物學(xué)工具、二代測序技術(shù)的應(yīng)用,極大地促進(jìn)了真菌聚酮化合物生物合成的研究進(jìn)程。通過挖掘真菌基因組中潛在基因簇的方式,能極大地加速真菌天然次生代謝產(chǎn)物的研究和開發(fā)進(jìn)程[21-22]。從真菌基因組挖掘能產(chǎn)生新活性化合物和酶結(jié)構(gòu)的生物合成途徑已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)[23],通過采用不同的培養(yǎng)方式能夠有效激活沉默或潛在的基因簇,獲得不同的天然次生代謝產(chǎn)物(“一菌多產(chǎn)物”策略),元超等[24]利用PDB培養(yǎng)基從地衣內(nèi)生真菌Myxotrichumsp.中培養(yǎng)獲得檸檬菌素和褐菌素的獨(dú)特骨架;利用大米培養(yǎng)基獲得了3種聚酮化合物(myxotritones A~C)和1個(gè)新的天然產(chǎn)物(7, 8-dihydro-7R, 8S-dihydroxy-3, 7-dimethyl-2-benzopyran-6-one)。2014年牛樟芝基因組測序工作已完成[25],為研究牛樟芝中PKS基因與具體聚酮化合物之間的聯(lián)系,本研究通過對牛樟芝基因組數(shù)據(jù)分析,分離并克隆得到牛樟芝中的聚酮合酶基因(AcPKS3)的全長cDNA,然后采用生物信息學(xué)方法[26]分析AcPKS3基因;將牛樟芝菌絲體在含有不同碳氮源添加物的培養(yǎng)基上培養(yǎng)一段時(shí)間后,再測定AcPKS3基因的具體表達(dá)量,以期為下一步牛樟芝聚酮合酶基因的異源表達(dá)、AcPKS3基因和具體化合物的聯(lián)系提供參考。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)菌株 牛樟芝菌株從購自我國臺灣省的生長在椴木上的牛樟芝子實(shí)體中分離獲得,經(jīng)形態(tài)和ITS鑒定該菌株為牛樟芝,菌株編號為LKYAC01。
1.1.2 培養(yǎng)基 表達(dá)培養(yǎng)基及其主要成分見表1,擴(kuò)繁培養(yǎng)基采用麥芽糖酵母提取物培養(yǎng)基(malt yeast extract,美國BD)。
1.1.3 試劑 試劑盒:植物RNA提取試劑盒(康為世紀(jì)),總RNA參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Transgen),高保真DNA聚合酶(Transgen)。
1.1.4 儀器與設(shè)備 NanoDropTM2000紫外分光光度計(jì)(Thermo Fisher,美國),Azure C300凝膠成像系統(tǒng)、C1000 Touch PCR熱循環(huán)儀、電泳儀(Bio-Rad,美國),SHP-450恒溫培養(yǎng)箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。
1.2.1 牛樟芝AcPKS3基因全長的克隆 將25 ℃條件下培養(yǎng)40 d的牛樟芝菌絲體,用植物RNA提取試劑盒提取牛樟芝總RNA,用NanoDropTM2000紫外分光光度計(jì)測量RNA的濃度和質(zhì)量,并將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-80 ℃保存。通過對牛樟芝基因組數(shù)據(jù)搜索獲得一個(gè)與聚酮化合物生物合成相關(guān)的基因AcPKS3,利用在線程序GENE Fisher分別設(shè)計(jì)含有起始密碼子(AcPKS3F0)和終止密碼子(AcPKS3R0)的引物(表2),以牛樟芝cDNA為模板用高保真DNA聚合酶進(jìn)行克隆,對該P(yáng)CR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳后,回收目的片段并將其與克隆載體連接,篩選陽性克隆進(jìn)行測序。
表1 培養(yǎng)基配方
1.2.2AcPKS3基因及其蛋白質(zhì)的生物信息學(xué)分析 利用NCBI在線程序ORF Finder進(jìn)行開放閱讀框預(yù)測,用BLAST程序進(jìn)行序列同源性比較,ProtParam進(jìn)行蛋白質(zhì)理化性質(zhì)(等電點(diǎn)、分子量)分析,SignalP 4.1 server預(yù)測該蛋白序列中是否含有信號肽,Target P預(yù)測該蛋白存在于細(xì)胞中的部位,用NCBI中的CDD程序分析AcPKS3蛋白的功能域。選取與牛樟芝AcPKS3蛋白質(zhì)序列同源性較高的其他真菌的PKS蛋白序列一起,用MEGA 6.0軟件進(jìn)行氨基酸序列同源性分析及系統(tǒng)發(fā)育分析,進(jìn)行Clustal W程序比對后,采用Neighbor-Joinging 程序構(gòu)建進(jìn)化樹,自檢值采用1 000次重復(fù),其他參數(shù)選用默認(rèn)值。生物信息學(xué)所用在線工具及其網(wǎng)址見表3。
表2 PCR反應(yīng)引物
表3 生物信息學(xué)在線工具及其網(wǎng)址
1.2.3 牛樟芝AcPKS3基因在不同培養(yǎng)基上的表達(dá)分析 根據(jù)項(xiàng)目組之前的研究結(jié)果,不同的碳氮源添加物及配方能夠顯著影響牛樟芝菌絲體的生長速度[27],選取能夠促進(jìn)牛樟芝菌絲體生長的培養(yǎng)條件和配方作為AcPKS3基因表達(dá)的培養(yǎng)基(表1)。將牛樟芝菌絲體接種在不同配方的培養(yǎng)基上,25 ℃恒溫培養(yǎng)40 d后,從各培養(yǎng)基上收獲0.5 g牛樟芝真菌菌絲體,重復(fù)3次取樣。依據(jù)真菌RNA提取試劑盒提取牛樟芝菌絲體的總RNA。牛樟芝菌絲體的總RNA參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書合成第一條鏈cDNA,并于-20 ℃保存?zhèn)溆?。然后,以引?表2)檢測牛樟芝AcPKS3基因在不同培養(yǎng)基上的具體表達(dá)情況,進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測后,利用圖像分析軟件GENE-SNAPS測量不同條帶的積分光密度值,以actin電泳條帶作為標(biāo)準(zhǔn)與各電泳條帶進(jìn)行比較,采用各目的條帶與各培養(yǎng)基上actin電泳條帶的比值繪制柱狀圖,進(jìn)行相對定量表達(dá)分析。
以牛樟芝真菌菌絲體RNA反轉(zhuǎn)錄cDNA為模板,以AcPKSF0和AcPKSR0為引物,利用高保真聚合酶 ( HiFi-DNA polymerase ) 進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲得1條長度約為7 kb的片段,經(jīng)回收、克隆、測序獲得6 858 bp的完整ORF序列。BLAST比對分析顯示,該基因與密褐褶孔菌(Gloeophyllumtrabeum,XM_007871264)、根狀鎖孔菌(Fibroporiaradiculosa,XM_012329146)、污叉絲孔菌(Dichomitussqualens,XM_007368075)的DNA序列一致性分別達(dá)78%、73%和72%,并將該基因命名為AcPKS3(GenBank登錄號:MG988206)。通過比對AcPKS3基因的DNA序列及cDNA序列(圖1),顯示該基因含有22個(gè)內(nèi)含子,23個(gè)外顯子,共編碼2 285個(gè)氨基酸。
圖1 牛樟芝AcPKS3基因中內(nèi)含子和外顯子的分布示意圖Fig.1 The schematic diagram of the distribution of the introns and exons of AcPKS3 gene in T. camphoratus
用Protparam預(yù)測AcPKS3蛋白中氨基酸殘基序列的理化性質(zhì),其相對分子質(zhì)量為260.0 kDa,理論等電點(diǎn)5.79,結(jié)構(gòu)式C11593H18247N3167O3452S76,不穩(wěn)定系數(shù)為39.26(Ⅱ級),是一種較穩(wěn)定蛋白;脂肪酸系數(shù)為92.44,平均親水性為-0.092。SignalP 4.1 server分析顯示AcPKS3蛋白不存在信號肽。Target P分析結(jié)果顯示該蛋白存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。CDD分析結(jié)果顯示該蛋白的結(jié)構(gòu)域依次為KS-AT-KR-ACP-SDR,其KR結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)C環(huán)中位于C4位聚酮側(cè)鏈β-酮基的還原。將牛樟芝AcPKS3與其他部分還原型聚酮合酶對應(yīng)的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)AcPKS3的5個(gè)結(jié)構(gòu)域其活性保守位點(diǎn)分別為β-酮基合成酶(DTACSS)、酰基轉(zhuǎn)移酶(GHSAGETA)、酮基還原酶(YLLVGGIG)、?;D(zhuǎn)移酶(YGLDSITSA)、短鏈脫氫酶(Short chain sehydrogenase)中與NAD(P)H結(jié)合的N端保守序列(ITGTTGSFG)及催化活性保守序列(YTESK)(圖2)。
利用MEGA 6.0的Clustal W程序?qū)εU林cPKS3和其他44條真菌PKS蛋白序列進(jìn)行比對后,利用Neighbor-Joining算法建樹(圖3),結(jié)果顯示:這些真菌的PKS蛋白序列可分還原型PKS和非還原型PKS,其中還原型又可分為HR-PKS和PR-PKS;牛樟芝與密褐褶孔菌(G.traberum, XP_007869455)、污叉絲孔菌(D.squalens, XP_007365620, XP_007368137)聚為一支,位于PR-PKS部分;該分支與6-MSAS分支即灰黃青霉(P.griseofulvum, CAA39295)、擴(kuò)展青霉(P.expansum, XP_016595371)、棒曲霉(A.clavatus, EAW11667)、赤曲霉(A.ruber, EYE91246)、大田節(jié)皮菌(A.otea, XP_002849666)和石膏樣奈尼茲皮真菌(N.gypsea, XP_003169413)相鄰,親緣關(guān)系較近,該分支的結(jié)構(gòu)域依次為KS-AT-DH-KR-ACP。
根據(jù)項(xiàng)目組之前的研究,牛樟芝菌絲體在不同培養(yǎng)基上生長速度差異較大[27]。將牛樟芝菌絲體在17種不同培養(yǎng)基上培養(yǎng),其中1號為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,2~5號在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上添加不同碳源,6~11號以共同的碳源(麥芽糖1.8 g/L, 葡萄糖6 g/L)為基礎(chǔ)添加不同氮源,12~17號為不同的商業(yè)培養(yǎng)基。25 ℃恒溫培養(yǎng)40 d后,提取RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,并用特異引物(表2)檢測其表達(dá)情況。結(jié)果顯示(圖4和圖5):在不同碳源添加物的試驗(yàn)中(1~5號培養(yǎng)基),僅葡萄糖能誘導(dǎo)AcPKS3基因的表達(dá),而在其余添加不同碳源培養(yǎng)基上不表達(dá);在不同氮源添加物的試驗(yàn)中(6~11號培養(yǎng)基),以碳源添加物葡萄糖作為基準(zhǔn),牛肉浸粉、酪蛋白胨、土豆蛋白胨的表達(dá)量高于葡萄糖,能夠促進(jìn)AcPKS3基因的表達(dá),而酵母提取物、番茄浸粉、胰蛋白胨的表達(dá)量低于葡萄糖,對AcPKS3基因的表達(dá)具一定的抑制作用;其中土豆蛋白胨的促進(jìn)作用最強(qiáng),胰蛋白胨的抑制作用最強(qiáng);同時(shí)采用不同的商業(yè)培養(yǎng)基檢驗(yàn)該基因的表達(dá)情況,結(jié)果顯示,表達(dá)量從高到低依次為YMB、WB、TMG、PDA、SA、MEB。
圖2 AcPKS3不同結(jié)構(gòu)域活性保守位點(diǎn)分析Fig.2 Alignment of T. camphoratus predicted polyketide synthase(AcPKS3) active regions with five closely related fungal PKSsAC:牛樟芝(MG988206); FR: 根纖維孔菌(XP_012177563.1);GT: 密褐褶孔菌(XP_007869455.1);DS: 污叉絲孔菌(XP_007365620.1);框內(nèi)為保守氨基酸AC: T. camphoratus (MG988206); FR: Fibroporia radiculosa (XP_012177563.1); GT: Gloeophyllum trabeum (XP_007869455.1); DS: Dichomitus squalens (XP_007365620.1); the conserved amino acids residues were located in the box
圖3 牛樟芝AcPKS3與44個(gè)真菌PKS蛋白序列的系統(tǒng)進(jìn)化分析Fig.3 Phylogenic analysis of AcPKS3 in T. camphoratus with another 44 fungal proteinic sequences
圖4 不同培養(yǎng)基條件下牛樟芝AcPKS3基因的表達(dá)量Fig.4 The expression levels of gene AcPKS3with different mediumA: 以麥芽糖6 g/L、 酵母提取物3 g/L為基礎(chǔ),碳源依次為不添加、甘露糖4 g/L、乳糖4 g/L、葡萄糖4 g/L、果糖4 g/L;B: 以麥芽糖1.8 g/L、葡萄糖6 g/L為基礎(chǔ),氮源依次添加牛肉浸粉4 g/L、胰蛋白胨4 g/L、酵母提取物4g/L、番茄浸粉4 g/L、酪蛋白胨4 g/L、土豆蛋白胨4 g/L;C: 不同商業(yè)培養(yǎng)基A: The basic media consists of Maltose 6 g/L, Yeast extract 3 g/L, the carbon sources are Mannose 4 g/L, Lactose 4 g/L, Glucose 4 g/L, Fructose 4 g/L, respectively; B: The basic media consists of Maltose 1.8 g/L, Glucose 6 g/L, nitrogen sources are Beef extract powder 4 g/L, Tryptone 4 g/L, Yeast extract 4 g/L, Tomato extract 4 g/L, Casein 4 g/L, Potato extract 4 g/L, respectively; C: Different commercial medium
圖5 不同培養(yǎng)基條件下AcPKS3基因的擴(kuò)增結(jié)果Fig.5 The gel electrophoretogram of AcPKS3 gene amplication products in the different mediumM: 2 000 Marker;1~5為不同碳源添加物,1:不添加,2:添加甘露糖,3:添加乳糖,4:添加葡萄糖,5:添加果糖;6~11添加不同氮源,6:添加牛肉浸粉,7:添加胰蛋白胨,8:添加酵母提取物,9:添加番茄浸粉,10:添加酪蛋白胨,11:添加土豆蛋白胨;12~17為不同商業(yè)培養(yǎng)基M: 2 000 Marker; 1-5 add different carbon additives to the basic media, 1: none, 2: mannose,3: lactose, 4: glucose, 5: fructose; 6-11 add different nitrogen additives to the basic media, 6: beef extract powder, 7: tryptone, 8: yeast extract, 9: tomato extract, 10: casein, 11: potato extract; 12-17 are different commercial medium
牛樟芝(T.camphoratus)是多孔菌科(Polyporaceae)薄孔菌屬(Antrodia)真菌,為我國臺灣地區(qū)所特有的珍貴食藥兩用真菌[25,28]。牛樟芝中含有豐富的生理活性物質(zhì),如牛樟芝子實(shí)體中特有的聚酮化合物安卓凱因A (antrocamphin A)[29-30]。本研究通過對牛樟芝基因組分析,獲得牛樟芝部分還原型PKS基因AcPKS3,并對其進(jìn)行分析。關(guān)于聚酮合酶基因與具體化合物之間聯(lián)系的報(bào)道目前尚未發(fā)現(xiàn),本研究的目的是從牛樟芝基因組中分離聚酮合酶基因,并研究其在不同培養(yǎng)條件下的表達(dá)狀況,最后確定基因與化合物之間的聯(lián)系。
本研究通過對AcPKS3基因及其蛋白序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析,其中結(jié)構(gòu)域分析得知AcPKS3蛋白中含有β-酮基還原酶(KR),能還原聚酮骨架側(cè)鏈中的特定β-酮基側(cè)鏈,亦含有C末端酶釋放結(jié)構(gòu)域短鏈醇脫氫酶(Short Chain Dehydrogenase,SDR);該蛋白結(jié)構(gòu)與6-MSAS的組成不同,無DH結(jié)構(gòu)域,含末端酯酶釋放結(jié)構(gòu)域SDR;AcPKS3蛋白序列中存在于NAD(P)H結(jié)合的N端序列(GXXXGXXG)和催化活性保守序列(YXXXK),這兩個(gè)序列是SDR的典型識別序列[31];SDR結(jié)構(gòu)域與其他TE結(jié)構(gòu)域在聚酮合酶中的位置和功能基本相似,均位于C末端,催化醇的氧化、醛酮的還原等并釋放聚酮化合物[32-33];其他TE結(jié)構(gòu)域如C-末端還原酶釋放結(jié)構(gòu)域(R)[5]、C-末端酯酶/類脂肪酶(EST)結(jié)構(gòu)域[34],類金屬-β-內(nèi)酰胺酶(MβL)水解酶[35]等酶結(jié)構(gòu)域的功能已通過試驗(yàn)得到驗(yàn)證,如Fujii等[36]通過異源過量表達(dá)wA-PKS基因修飾過的C-末端首次證明TE結(jié)構(gòu)域參與克萊森環(huán)化反應(yīng),該結(jié)構(gòu)域又被命名為克萊森式環(huán)化酶結(jié)構(gòu)域(CLC),參與構(gòu)巢曲霉(Aspergillusnidulans)中WA聚酮合酶催化萘并吡喃酮(naphthopyrone)第二個(gè)芳香環(huán)的克萊森式環(huán)化;R結(jié)構(gòu)域的催化還原釋放作用已通過異源表達(dá)得到確認(rèn)[37];EST結(jié)構(gòu)域略大于TE/CLC結(jié)構(gòu)域,屬絲氨酸水解酶家族[34];通過基因敲除的方式證明MβL結(jié)構(gòu)域參與構(gòu)巢曲霉中AptA(asperthecin PKS)聚酮產(chǎn)物的釋放[38]。結(jié)構(gòu)域分析結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)化樹分析,該蛋白含有KR結(jié)構(gòu)域,且與6-MSAS親緣關(guān)系較近,可推測該酶為一種新型的PR-PKS。
不同培養(yǎng)基和培養(yǎng)方式對牛樟芝生長速度及其活性組分均有顯著影響[27,39],另外同一基因在不同培養(yǎng)條件下,其基因表達(dá)會出現(xiàn)差異,且有可能會產(chǎn)生不同的化合物,這一現(xiàn)象可通過“一菌多產(chǎn)物”(One Strain Many Compounds, OSMAC)解釋。Hemphill等[40]利用“一菌多產(chǎn)物”策略成功地從內(nèi)生真菌三線鐮刀菌(Fusariumtricinctum)中獲得5種化合物,2種新化合物(fusarilelin K和fusarilelin L)及2種已知化合物(fusarilelin A和fusarilelin B),并將化合物fusarilelin J的量增加了80倍。本研究應(yīng)用含不同碳氮源添加物和商業(yè)培養(yǎng)基誘導(dǎo)AcPKS3基因的表達(dá),發(fā)現(xiàn)在不同碳源中僅葡萄糖能誘導(dǎo)AcPKS3基因的表達(dá);在不同氮源添加物試驗(yàn)中,土豆蛋白胨促進(jìn)誘導(dǎo)表達(dá)的作用最強(qiáng),而胰蛋白胨的抑制作用最強(qiáng);不同商業(yè)培養(yǎng)基測試表明YMB表達(dá)量最高,而MEB表達(dá)量最低。該結(jié)果說明牛樟芝AcPKS3基因在不同培養(yǎng)基上的表達(dá)水平存在明顯差異,本研究能夠?yàn)橄乱徊酵ㄟ^大規(guī)模發(fā)酵的方式研究和獲取新的部分還原型聚酮化合物提供了最佳培養(yǎng)基。本研究有助于牛樟芝聚酮類化合物的異源表達(dá),為提高牛樟芝聚酮化合物的合成效率及基因調(diào)控分析提供參考。