研究背景

近年來，基因組和轉錄組測序技術的發展使研究人員對放線菌的代謝網絡有了更加深入的了解。I型聚酮化合物-格爾德霉素是一種很有效的抗腫瘤藥物。本研究作者通過對格爾德霉素（geldanamycin）產生菌Streptomyces hygroscopicus （S. hygroscopicus）XM201進行基因組測序和轉錄組測序，找到了格爾德霉素生物合成的關鍵限速步驟，并通過對關鍵限速步驟中基因的啟動子用內源性強啟動子替換的方式，使格爾德霉素的產量得到了很大程度的提高。

研究結果

1. S. hygroscopicus XM201的全基因組測序

采用Illumina HiSeq2500和PacBio® RS II System結合的方法（由伯豪生物完成）對其進行了全基因組測序，并將基因組測序結果與已有的鏈霉菌測序結果進行了對比。S. hygroscopicus XM201的核心區域與其他鏈霉菌類似，但非核心區域較大，約為6.0Mb。

在XM201中有45個次級代謝產物合成基因簇，其中有10個合成基因簇編碼聚酮化合物，包括格爾德霉素。

2. geldanamycin生物合成相關基因

XM201中的geldanamycin生物合成基因簇大小為70 kb, 包含23 個ORFs。需要注意的是，前體AHBA合成相關的基因距離geldanamycin生物合成基因簇為8.8Mb。

3.聚酮合成酶相關基因被認為是格爾德霉素產量的限速步驟

在七天的發酵過程中，格爾德霉素的快速積累發生在第一天到第四天。為了搞清楚格爾德霉素產量的限速基因，對第四天的發酵樣品進行了取樣及全轉錄測序（由伯豪生物完成）。發現聚酮鏈延伸中的相關基因為格爾德霉素產量的限速基因。

4.篩選格爾德霉素產量提高的強啟動子

為了篩選強啟動子，XylE作為評估各啟動子活性的報告基因。通過對第一天樣本中各啟動子的XylE活性實驗和對四個強啟動子5063p, 6214p, 7138p和7359p發酵1-4天的XylE活性實驗，5063p被確認為提高格爾德霉素的聚酮合成相關基因表達水平的強啟動子。

5.強啟動子5063p使格爾德霉素的產量得到了提高

將gdmA1p替換為強啟動子5063p后，基因gdmA1和gdmA3的表達水平得到了明顯的提升，格爾德霉素的產量相對于原始菌株也提高了39%。

6. AHBA生物合成相關基因的過表達使格爾德霉素產量進一步提高

3-氨基-5-羥基苯甲酸（AHBA）為格爾德霉素生物合成的前體物質。通過外源添加AHBA實驗表明，在替換為強啟動子5063p的菌株中，AHBA的低表達量成為新的限速步驟。故通過用強啟動子5063p替換AHBA合成基因的啟動子，使格爾德霉素產量獲得了進一步提高，相對于原始菌株提高了88%。

原文出處：Wang X, Ning X, Zhao Q, Kang Q, Bai L. Improved PKS gene expression with strong endogenous promoter resulted in geldanamycin yield increase. Biotechnol J. 2017.