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黏细菌5-甲基吡嗪酮的发现、生源途径、生理功能及抗性机制的解析认领

作者：

朱乐乐

学位授予单位：

山东大学

摘要：

黏细菌在系统进化上对应δ变形菌纲(Deltaproteobacteria)的黏细菌目,新的分类学标准已将黏细菌归为一个门(Myxococcota)。黏细菌能够生成大量的次级代谢产物,是一类极为重要的药源微生物。因为化学结构复杂多变、生物活性明显、以及功能机理奇特等优势,黏细菌的次级代谢产物日益引起国内外专家的重视。然而,由于绝大多数非模式黏细菌“生长慢、难培养、遗传操作困难”等固有特性,致使对黏细菌资源的开发利用十分匮乏!因此,开展对黏细菌的化学生物学研究,解析影响黏细菌生长发育的调控机制十分必要。本论文通过代谢组学工具高通量筛选研究团队已存的大型黏细菌资源库,优选得到一株珊瑚球属菌株Corallococcus exiguus SDU70,从中定向发现了一类隶属于5-甲基-吡嗪酮(5-methylated pyrazinone)家族的新化合物,命名为coralinone。通过基因组生信分析、基因敲除及异源表达等手段,鉴定了coralinone生物合成的遗传物质基础:即由一个杂合体非核糖体肽合酶-聚酮合酶(Nonribosomal peptide synthetase/Polyketide synthase,NRPS/PKS)的基因 corA 独自编码;再通过体外生化实验,清楚地解析了 coralinone的生物合成途径,解开了吡嗪酮类天然产物结构中5-甲基的起源之谜。在生源途径的启发下,对coralinone进行仿生有机全合成,不但为5-甲基吡嗪酮类有机化合物的高效制备提供新方法,也为进一步研究coralinone的构效关系提供了物质基础。经实验验证发现,coralinone虽然不具有抗菌、细胞毒、抗病毒等常规药理活性,但对黏细菌的生长发育具有调节功能,可以加剧本源菌SDU70及异源黄色黏球菌(Myxococcus xanthus DK1622)在液体培养基中的菌体聚集,并且5位甲基对吡嗪酮母核发挥该生理活性至关重要。此外,我们还发现coralinone是通过促进黏细菌胞外基质的分泌来加剧菌体聚集。对国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)数据库中黏细菌基因组上编码5-甲基吡嗪酮的基因簇进行系统发育分析,一方面揭示该类天然产物的化学多样性及进化规律,另一方面也指导了我们发掘与corA基因邻近的自我抗性基因corB:其编码一个分泌型蛋白水解酶CorB,可有效降解胞外基质中的蛋白,从而拮抗由coralinone所引起的菌体凝集。CorB有望应用于改善黏细菌液体发酵状态,提升外源DNA的转化效率,克服非模式黏细菌遗传操作瓶颈。总之,本论文首次发现黏细菌来源的5-甲基吡嗪酮类天然产物,并深入解析了其生物合成途径,扩展了人们对NRPS/PKS装配线化学多样性的认识;首次破译了 5-甲基吡嗪酮类信号分子对黏细菌的生理调节功能和作用机制,加深了对黏细菌的基础化学生态学的理解,为解决本领域里“未培养微生物”、“沉默基因簇激活”以及“遗传操作困难”等关键基础科学问题,贡献了一个新的突破口,最终为最大限度地开发利用黏细菌资源宝库奠定了理论基础。

摘要译文

关键词：

黏细菌; 次级代谢产物; 吡嗪酮类化合物; 蛋白水解酶; 胞外基质

学位年度：

2024

学位类型：

博士

学科专业：

微生物学

导师：

吴长生

中图分类号：

Q939.9[应用微生物学]

学科分类号：

071003[微生物学]

D O I：

10.27272/d.cnki.gshdu.2024.000164