用四年时间探矿10000株放线菌基因组 ——发现19种新型膦酸天然产物

摘要：2015年9月, PNAS发表伊利诺伊大学的最新成果.研究者们对10,000株放线菌进行基因组探矿,发现了前所未知的19种新型磷酸天然产物, 每一种都是潜在的新药,而且其中一种已经鉴定为新型抗生素。

在人类健康的药品列表中，天然产物的地位举足轻重，其受关注的程度自然是不言而喻。在生物催化领域，发现新型天然产物、解析催化合成原件则是我们的重要使命。通过活性筛选鉴定的传统方法在逐渐被淘汰，因为总是发现重复的产物，越来越多的科学家们提倡利用基因组探矿进行未知天然产物的挖掘。在最近一期的PNAS杂志便发表了利用基因组探矿，探索10，000株放线菌后，发现了19种新型的膦酸天然产物，每一种都是潜在的新药，而且其中一种已经被鉴定为新型抗生素。这样瞩目的成果仅耗费了四年的时间，让人不禁对基因组探矿的前景充满了信心，就让我们一起走进这段探索历程吧。

1. 什么是基因组探矿？

利用基因组数据进行新型生化过程的探索通常被称为基因组探矿，其具有彻底改革现代生物学众多领域的潜力，包括天然产物的发现。在人类药品中，2/3直接来源或者受启示于通过生化过程产生的天然小分子，然而近年来，由于高成本与高重复率的发现使得天然产物的探索工作规模在不断减小。虽然有大量的困境解决方案提出，但多数领域内的科学家还是认为解决方案存在于基因组中。因此通过关注未知产物的合成基因，进行基因组信息探矿能够有效地加速和合理化天然产物的发现。其实在该研究报道之前已有一些利用基因组探矿发现天然产物的工作相继浮出水面，然而那些工作都是基于单个或者较少的细菌基因组样本，William Metcalf教授的团队首次对多达10,000株放线菌的基因组样本进行探矿，并获得19种新型天然产物的发现。

2.什么是膦酸天然产物？为何被选中做基因组探矿？

膦酸天然产物是一类丰富、多样化的信号分子，已经被证实在医药和农业中具有重要应用价值。Metcalf在采访中表示：细菌利用膦酸天然产物这类信号分子向它的邻居们表示自己的存在，甚至使用高浓度来杀死它们.

在大规模基因组探矿研究的候选天然产物中，膦酸天然产物的如下几个优点让它们成为理想的选择对象。首先，膦酸天然产物具有重要的药用潜力，商业化比例已达到15%（20种已鉴定的化合物中有3种已商业化），而天然产物总的商业化比例仅有0.1%，可见其绝对的优势，膦酸天然产物化学模仿派生的必须代谢物的具有潜在的的生物活性，例如磷酸酯或酸酐以及羧酸反应中间体。鉴于在生物学中这些化学基团的无处不在，膦酸盐在有可能影响的目标范围内是无可匹敌的，与此相一致的想法，已知膦天然产物具有除草，杀虫，抗菌，抗寄生虫，抗病毒，和降压活性，著名的例子：磷霉素，在临床可用于治疗膀胱炎；其次，基于基因发现膦酸盐的方法已经严格地建立成功。该方法基于两条已经鉴定的膦酸盐生物合成途径都起始于磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）变位酶（pepM编码）的事实，也就是利用简并引物PCR扩增pepM，如果能够获得该基因则足以鉴定该菌株具有编码膦酸盐的生物合成途径；再次，基因为基础的调查证明，磷酸盐的生物合成在微生物中相对常见，在放线菌内具有大量的未开发的途径；最后，碳-磷键赋予膦酸盐独特的化学性质，能通过MS和NMR光谱法在复杂的代谢混合物中对其进行鉴定，即使该分子的结构是未知的。这些方法都为膦酸天然产物的始旋和纯化带来了便利。

3.基因组探矿探索10,000株放线菌，发现新型膦酸天然产物

研究者们在基因组探矿中利用简并引物扩增pepM，然后纯化鉴定膦酸化合物的结构。他们发现在10,000株放线菌中有278株含有pepM基因，他们测定了这278株放线菌的全基因组序列，因为天然产物合成的基因多成簇存在，通过检测pepM附近的基因，他们便可以判定他们发现的途径合成产物是新型膦酸盐还是已知的化合物。

最后他们鉴定到78组膦酸盐，其中有19种是新的结构，研究组将其中的一种化合物命名为“argolaphos” （图1）, 并鉴定其是具有重要的抗菌功能的抗生素，能抵抗如沙门氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等致病菌。

图1 抗生素 argolaphos 的结构、合成基因簇与抗菌活性

新的化合物鉴定总是能为我们带来更多的希望，除了进一步的科研价值外，新型抗生素等药物的诞生还会为人类健康带来福音。从这些天然产物的成功鉴定，我们会对基因组探矿有更大的信心，或许规模化的探索能进一步加速新药的发现，也能加速其他天然产物的鉴定。

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