链霉菌GB-2中西索米星与新霉素共合成的代谢机制研究

Both sisomicin and neomycin are aminoglycosides derived from paromamine, which are produced normally by Micromonospora inyoensis and Streptomyces fradiae respectively. Significantly, a marine Streptomyces strain S. sp. GB-2 can yield both antibiotics at certain fermentation conditions. Genome scanning of S. sp. GB-2 found only one set of paromaine biosynthetic genes locating in the neomycin cluster, which suggested that sisomicin and neomycin share the paromamine biosynthetic genes in S. sp. GB-2. Researches on sisomicin biosynthesis have been impeded seriously since genetic manipulation of M. inyoensis is not amenable. We circumvent this difficulty by establishing the genetic system of S. sp. GB-2, another producer of sisomicin. The biosynthetic pathway of neomycin is almost clear. However, there is no report on the regulatory mechanism of neomycin production. In this project, we will use the special marine Streptomyces sp. GB-2 as a model organism to delineate the biosynthetic pathway of sisomicin, to elucidate the neomycin regulatory mechanism and to depict the relationship between sisomcin and neomycin production in S. sp. GB-2. Both sisomicin and neomycin are widely used anti-infection drugs. Our studies will demonstrate the detailed metabolic mechanisms of sisomicin and neomycin and set the stage for a better utilization of the two antibiotics.

西索米星和新霉素都是以巴龙霉胺为前体合成的氨基糖苷类抗生素，一般由尤尼小单孢菌和弗氏链霉菌分别产生。我们发现海洋链霉菌GB-2在特定发酵条件下可以同时产生这两种抗生素。对链霉菌GB-2基因组的扫描测序发现唯一的一组巴龙霉胺合成基因存在于新霉素的基因簇中，说明在链霉菌GB-2中西索米星和新霉素共用了巴龙霉胺的合成基因。西索米星的生物合成研究受困于产生菌尤尼小单孢菌的遗传操作困难，开展得并不深入。我们已经建立起链霉菌GB-2的遗传操作系统，避开了这个难题。另外，对新霉素代谢调控机制的研究至今未见报道。鉴于此，我们将利用这株特殊的链霉菌GB-2为研究材料，力求阐明西索米星的生物合成途径，揭示新霉素的代谢调控机制，并探索链霉菌GB-2中这两种抗生素代谢之间的关系。西索米星和新霉素都是临床应用广泛的抗感染药物。我们的研究将深入地揭示它们的代谢机理，为更好地利用这两种重要的抗生素打下基础。

新霉素是典型的氨基糖苷类抗生素，具有重要的医疗和兽药价值。本课题致力于从分子水平研究新霉素生物合成调控机理。通过细致的分子生物学和生物化学的研究勾勒出了新霉素生物合成调控的大概通路：由AfsA-g合成GBL类信号分子，通过NeoR，调控NeoG，NeoH双组份信号系统，推测NeoH可以复调控neoI的功能，NeoI从neoE~neoD转录单元的启动子区解离后，相关新霉素生物合成基因开始表达，从而启动新霉素生物合成。另外，我们还发现，在氨基糖苷类抗生素hygromycin B，kanamycin，lividomycin，paromomycin, ribostamycin中，neoI的同源基因是保守存在的。我们在大肠杆菌中表达相关蛋白，EMSA证明它们都结合一致的保守位点。对比各基因簇排列，我们推测这类调控基因都可以调控包含2-DOS合成基因在内的含有十几个氨基糖苷类抗生素合成基因的转录单元，从而调控氨基糖苷类抗生素生物合成。这一发现为氨基糖苷类抗生素调控研究和高产菌株构建提供了参考。在本课题的支持下，我们还对糖苷类化合物Paulomycin的生物合成及调控机制进行了初步研究。