Nature子刊：华裔学者利用创新DNA技术揭开隐藏在细菌基因组中潜
美国伊利诺伊大学香槟分校的一个研究组采用一种创新基因工程技术DNA assembler，破解细菌隐藏的基因簇所编码的化合物，找出它们潜在的价值。这一项研究是由该校化学和生物分子工程系的赵惠民教授带领的一个研究团队完成的。这一发现将有助于我们更深入了解细菌。相关文章发表于2013年12月05日的《Nature Communications》杂志上。
Nature子刊：华裔学者利用创新DNA技术揭开隐藏在细菌基因组中潜在价值
细菌生存之道
每种细菌的基因组中，都含有合成不同化合物的基因。这些化合物包括天然抗生素、抗真菌剂和其它生化药剂，能帮助细菌抵抗不利的微生物，因此具有很大的医学应用价值。细菌产生这些化合物所需的酶的编码基因，经常被归为一些集群(GENE cluster，基因簇)。这些基因能够编码在生产一种或几种产物的生化途径中共同发挥作用的蛋白。
如果一个菌落正在生产一种生物活性化合物(有时称为天然产物)，科学家们可以将这种产物分离出来，研究它的结构和功能，发现其潜在的作用。通过筛选不同细菌和其它微生物种类产生的化合物，人们已经发现了很多天然产物。
然而，到目前为止，所发现的化合物只代表细菌有能力生产的化合物的一小部分。
细菌很精通生存之道，它们的基因组就是一套应对各种环境状况的应变计划。就像画家只用当天需要的颜色制定一个调色板，一种细菌只会表达某些基因，合成有助于它在当前环境中茁壮生长的化合物。某种特定情况下不需要的基因簇的常量表达，将是一个很大的浪费。
破解隐藏在细菌的基因簇潜在功能
这种能量守恒对细菌大有好处，但是对希望发现新的天然产物的研究人员却很不利。这是Zhao和同事们开始该项目时，希望能解决的一个挑战。Zhao说：“细菌基因组序列分析表明，有很多隐藏的或者沉默的生化途径还没有被发现，它们需要正确的信号，来开启整个基因簇的表达。”
研究人员利用几种策略，来“欺骗”细胞激活那些很少用的、“隐藏的”的基因簇，例如在各种恶劣条件下培养细菌，或将一种细菌的一套基因插入到另外一种细菌的基因组中。这些技术包括劳动密集型的反复试验，而且不能保证会成功。
Zhao的团队，把精力花在改编细胞内的基因表达调控，而不是试图去操控环境。他们采用Zhao实验室以前开发的一种基因工程方法(称为DNA assembler)，将小部分DNA插在一个隐藏的基因簇中的每个基因之间。增加的这部分DNA是启动子，是帮助调控何时以及有多少邻近基因表达的专门区域。通过增加正确的启动子，Zhao和同事们迫使细胞提高基因簇中每个基因的表达。
DNA assembler方法在一个单一步骤中连接许多不同的DNA片段的能力，使得Zhao的策略成为可能。以前的基因编辑方法，限制研究人员进行一系列连续性改变，哪怕想在一个很小的基因簇的每个基因上增加一个启动子，都需要非常多的实验步骤。相比之下，Zhao说：“事实上，我们能建立整个基因簇，这最终使我们更加灵活，因为我们能增加不同的启动子，”确保在基因簇中的每个基因都被持续激活。
研究人员修改了来自一种土壤细菌——灰色链霉菌(Streptomyces griseus)的一个隐藏的基因簇(包含6个基因)。他们在基因簇中的每个基因上增加了一个启动子，使表达增加，将基因簇插入一种近缘的细菌链霉菌(Streptomyces lividans)中，这种细菌在实验室中更容易生长。
由此产生的细菌菌株表达了以前沉默的基因簇中的所有基因，产生了一些以前不知道的化合物。这些化合物属于一类称为多环tetramate macrolactams(或PTMs)的天然产物，其中许多具有有用的生物医学价值。通过检测丢失6个基因其中一个的菌株所产生的化合物，研究人员能够发现每个基因所编码蛋白的功能，从而更好的了解细菌如何合成PTMs。
Zhao认为，这项工作是迈向一个更大目标的重要一步：开发一种通用的、自动化的高通量方法，来改造靶标试验生物中的任何一种生化途径。“我们需要技术平台的建立，那么我们就可以继续在哺乳动物系统、植物细胞和微生物中进行研究。”然而，他的最终目标是发现有用的生化药剂，“很有可能，一些化合物会变成新药，这是非常令人兴奋的。”
原文摘要：
Activation and characterization of a cryptic polycyclic tetramate macrolactam biosynthetic gene cluster
Yunzi Luo, Hua Huang, Jing Liang, Meng Wang, Lu Lu, Zengyi Shao, Ryan E. Cobb & Huimin Zhao
Polycyclic tetramate macrolactams (PTMs) are a widely distributed class of natural products with important biological activities. However, many of these PTMs have not been characterized. Here we apply a plug-and-play synthetic biology strategy to activate a cryptic PTM biosynthetic gene cluster SGR810-815 from Streptomyces griseus and discover three new PTMs. This gene cluster is highly conserved in phylogenetically diverse bacterial strains and contains an unusual hybrid polyketide synthase-nonribosomal peptide synthetase, which resembles iterative polyketide synthases known in fungi. To further characterize this gene cluster, we use the same synthetic biology approach to create a series of gene deletion constructs and elucidate the biosynthetic steps for the formation of the polycyclic system. The strategy we employ bypasses the traditional laborious processes to elicit gene cluster expression and should be generally applicable to many other silent or cryptic gene clusters for discovery and characterization of new natural products.
