链丝菌素类化合物生物合成的研究

链丝菌素类化合物是最早发现的抗生素之一，具有广谱的抗菌活性。现在主要作为农用抗生素和植物细胞生物学中的抗性标记使用。由于链丝菌素含有的特殊的链里啶和寡聚赖氨酸结构，它的生物合成一直受到广泛的关注。人们利用同位素标记示踪技术确定了合成链丝菌素的前体，并给出了可能涉及到的反应。由于链丝菌素合成基因簇可能分布在基因组上的不同位置，两个不同课题组的克隆尝试都没能成功地得到完整的基因簇。我们将选择不同的链丝菌素生产菌Streptomyces lavendule，通过不同的手段克隆得到完整的链丝菌素合成基因簇，并在此基础上研究各个基因的功能，阐明链丝菌素的生物合成途径，包括特殊结构链里啶和寡聚赖氨酸的合成机理。在此基础上，我们将利用生物工程的手段改造链丝菌素合成途径，生产新的链丝菌素衍生物，测定它们的生物活性，加深对链丝菌素构效关系的了解。

链丝菌素是最早被发现的抗生素之一，具有广谱的抗菌活性和较强的细胞毒性，可以杀死一些致病性霉菌和农业害虫，已经在我国的农业生产中广泛应用。典型的链丝菌素类化合物由三部分组成，分别是：链里啶内酰胺、甲酰胺古洛糖胺和寡聚β-赖氨酸链。本课题致力于从分子水平解析链丝菌素的生物合成机制。我们分别测序得到了淡紫灰链霉菌CGMCC 4.1386和链霉菌TP-A0356中的链丝菌素生物合成基因簇。随后在天蓝色链霉菌中成功的表达了链霉菌TP-A0356来源的链丝菌素基因簇，并通过基因失活证明StnO是催化寡聚β-赖氨酸链前体合成的氨基异构化酶。链丝菌素中的D-古洛糖胺单元十分特殊，我们的研究阐明了链丝菌素中甲酰胺古洛糖胺的生物合成过程。首先由糖基转移酶StnG催化UDP-N-乙酰化-D-葡萄糖连接到链里啶内酰胺的亚胺上，随后由StnJ催化异构化反应、StnQ催化甲酰胺化反应，最后由脱乙酰化酶StnI脱去乙酰基得到Streptothrisamine。其中，StnG是自然界中首例催化胍基上亚胺糖基化的酶；StnI是第一个催化古洛糖胺单元脱乙酰化反应的LmbE家族蛋白。我们还合作解析了StnI的蛋白晶体结构，推测了它的催化机制。另外，我们敲除了所有可能参与链里啶内酰胺合成的基因，推测了链哩啶内酰胺的生物合成过程。关于链丝菌素生物合成的研究已经基本阐明了这类化合物的生物合成机制。在这一过程中发现的新颖的化学和酶学机制为进一步通过化学生物合成得到新结构的链丝菌素类化合物打下了基础。