链霉菌的基因组及其抗生素生物合成基因研究
链霉菌与抗生素的发现与应用
新型抗生素的研发周期长、投入大，且成功率不高，使得抗生素的 研发面临较大挑战。
发展前景
新型抗生素研发
针对耐药性细菌，研发具有全新作用 机制的新型抗生素，提高治疗效果。
合成生物学技术应用
利用合成生物学技术，设计和构建新 的生物部件、设备和系统，以生产具 有优良性能的抗生素。
联合治疗
将不同作用机制的抗生素联合使用， 以提高疗效并降低耐药性产生的风险 。
临床应用
抗生素广泛应用于治疗各种细菌感染，如肺炎、尿路感染、皮肤感染等。同时， 在手术前预防感染、治疗动物感染等领域也有广泛应用。
抗生素发展历程及现状
发展历程
自20世纪40年代青霉素被发现以来，抗生素经历了快速发展和广泛应用的过程。随着科技的不断进步，新型抗生 素不断问世，为临床治疗提供了更多选择。
抗生素定义
抗生素是一类能够抑制或杀死细菌生长的药物，广泛应用于治疗细菌感染。
抗生素分类
根据化学结构和作用机制，抗生素可分为β-内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类 、大环内酯类、喹诺酮类等多种类型。
抗生素作用机制及临床应用
作用机制
抗生素通过干扰细菌细胞壁合成、抑制蛋白质合成、破坏细胞膜完整性等机制， 达到抑制或杀死细菌的目的。
或最终产物。
共生与竞争
03
链霉菌在与其他微生物共生或竞争过程中，产生了抗生素作为
防御或攻击手段。
链霉菌在抗生素研发中地位
天然来源
链霉菌是自然界中广泛存在的微生物，是抗生素的天然来源之一 。
药物研发
通过对链霉菌的研究，人们发现了许多具有抗菌活性的化合物， 为抗生素的研发提供了重要线索。
工业生产
链霉菌易于培养且产量高，因此被广泛应用于抗生素的工业生产 中。
链霉菌的研究概况
链霉菌的研究概况海南大学课程论文题目名称：链霉菌的研究概况学院：专业班级：姓名：学号：评阅意见评阅成绩评阅教师：2014年11 月22 日链霉菌的研究概况（工作单位，姓名）摘要链霉菌(Streptomyces)属于链霉菌属，是高等的放线菌。
链霉菌是一类革兰氏阳性细菌，是一种没有细胞核的原核生物,共约1000多种，其中包括和很多不同的种别和变种。
它主要生长在含水量较低、通气较好的土壤中，一些链霉菌也可见于淡水和海洋。
由于许多链霉菌产生抗生素的巨大经济价值和医学意义，对这类放线菌已做了大量研究工作。
研究表明，抗生素主要由放线菌产生，而其中90%又由链霉菌产生，著名的、常用的抗生素如链霉素、土霉素，抗真菌的制霉菌素，抗结核的卡那霉素，能有效防治水稻纹枯的井冈霉素等，都是链霉菌的次生代谢产物。
有的链霉菌能产生一种以上的抗生素，有化学上，它们常常互不相关；可是，从全世界许多不同地区发现的不同种别，却可能产生同抗生素；改变链霉菌的营养，可能导致抗生素性质的改变。
这些菌一般能抵抗自身所产生的抗生素，而对其他链霉菌产生的抗生素可能敏感。
金黄垂直链霉菌作为链霉菌的一种，它能拮抗多种真菌和细菌，且对香蕉枯萎病的防治效果好，因此，该链霉菌在植物病害的生物防治领域广阔的应用前景。
关键词：链霉菌应用发展第一章绪论1.1综述链霉菌有发育良好的分枝菌丝，菌丝无横隔，分化为营养菌丝、气生菌丝、65孢子丝。
营养菌丝又名基内菌丝，色浅，较细，具有吸收营养和排泄代谢废物的功能；气生菌丝是颜色较深，直径较粗的分枝菌丝；气生菌丝成熟分化成孢子丝，孢子丝再形成分生孢子。
孢子丝和孢子的形态、颜色因种而异，是分种的主要识别性状之一。
已报道的有千余种，主要分布于土壤中。
已知放线菌所产抗生素的90%由链霉菌属属产生。
其中链霉菌属的基内菌丝多分枝，常产生各种水溶性或脂溶性色素，本属种数最多，因许多种是抗生素的产生菌而且产生抗生素的种类最多而著名（如链霉素等）。
链霉菌沉默生物合成基因簇调控的研究进展
文章编号：1001-8689(2020)12-1201-07链霉菌沉默生物合成基因簇调控的研究进展陈瑞琦1,2,3 梁冬梅1,2,3 刘家亨1,2,3 乔建军1,2,3 财音青格乐1,2,*( 1 天津大学化工学院，天津 300072；2 系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；3 天津化学化工协同创新中心合成生物学平台，天津 300072)摘要 本文以天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor )中黄色色素coelimycin 生物合成调控及开发策略的研究进展为代表，介绍了链霉菌中沉默生物合成基因簇调控激活的新进展，为链霉菌天然产物基因簇的挖掘和新次级代谢产物的发现提供研究思路。
关键词：链霉菌；次级代谢；沉默生物合成基因簇；黄色色素coelimycin ；转录调控中图分类号：R9, Q936 文献标志码：AAdvances in the regulation of Streptomyces silent biosynthetic gene clustersChen Rui-qi 1,2,3, Liang Dong-mei 1,2,3, Liu Jia-heng 1,2,3, Qiao Jian-jun 1,2,3 and Cai-yin Qing-ge-le 1,2(1 School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072; 2 Key Laboratory of Systems Bioengineering ofMinistry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072; 3 Syn Bio Research Platform, Collaborative Innovation Centerof Chemical Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)Abstract This paper takes the example of theregulation of the coelimycin biosynthesis in Streptomyces coelicolor ，and introduces the advances of activation of silent biosynthetic gene clusters in Streptomyces . It provides research ideas for the activation of Streptomyces natural product gene clusters and the discovery of new secondary metabolites.Key words Streptomyces ; Secondary metabolism; Silent biosynthetic gene clusters; Yellow pigment coelimycin ; Transcriptional regulation收稿日期：2019-12-13基金项目：国家重点研发计划资助项目(No.2017YFD0201400)作者简介：陈瑞琦，女，生于1994年，在读硕士研究生，研究方向为微生物次级代谢产物生物合成，E-mail:**********************通讯作者，E-mail:****************.cn近年来，随着耐药病原体的频繁出现和癌症等疾病发病率的逐年增长，发现和开发新药迫在眉睫。
抗生素生物合成途径及其调控机制的研究
抗生素生物合成途径及其调控机制的研究抗生素是一种用于治疗细菌感染的重要药物。
然而，由于细菌耐药性的加强，以及新型细菌的出现，抗生素的应用日益受到限制。
因此，如何揭示抗生素的生物合成途径及其调控机制是目前研究领域中需要重点关注的问题。
1、抗生素的生物合成途径抗生素的生物合成主要是经过一系列化学反应完成的。
这些反应过程需要消耗大量的能量、原料和特异的酶基因或基因簇，在细胞内组成复杂的反应网络，以产生抗生素分子。
以青霉素为例，其生物合成的过程可大致分为以下几个阶段：（1）前驱物的合成和活化：前驱物包括抗生素的母体分子和不同的载体物，例如酰基辅酶A（acetyl-CoA）或丙酰-CoA等。
这些前驱物需要先通过生物合成途径的前几步化学反应完成活化和合成。
（2）核苷酸底物的拼接: 在此阶段中，脱氧核糖核苷酸和脱氧核酸等底物在酶的催化下拼接成较大的核苷酸底物。
（3）环结构的形成：在这个阶段中，核苷酸底物被氧化和三羟基化，进而形成各种五元环、六元环和环状二十碳化合物，为抗生素的最后生物合成奠定了境地。
（4）侧基的化学修饰：在抗生素分子的生物合成过程中，有些基团需要经过化学修饰过程才能形成最终的抗生素。
例如，青霉素的修饰包括氧化、酰化和甲基化修饰等。
2、抗生素的调控机制抗生素的生物合成不是一件简单的过程，它需要复杂的调控机制来维持抗生素产量的平衡及其质量的稳定。
现在，已经发现了许多影响抗生素生物合成的因素，例如环境适应性和信号转导等。
（1）基因调控：在细菌中，生物合成抗生素的基因通常会聚集在一起，形成一整个基因簇。
这些基因簇受到细菌发育和质体内环境的影响，以及许多转录因子和全局调控因子的调节。
在抗生素的生物合成过程中，这些控制机制会调节基因簇的表达水平，进而影响抗生素的产量。
（2）信号转导：适应性及应答环境中的信号转导是调节抗生素生物合成的重要因素之一。
在细胞内，许多信号分子和信号转导通路可以对基因表达进行调节。
霉菌基因组学的研究与应用
霉菌基因组学的研究与应用随着生物学技术的不断发展，霉菌基因组学已成为生物学领域中备受关注的一个新兴研究方向。
霉菌是一类广泛存在于自然界中的微生物，其中不乏一些重要的工业菌种和医学菌株。
了解霉菌基因组的结构和功能，不仅有助于深入理解微生物的进化和适应机制，也能够为基因工程和药物研究提供有力的支持。
一、霉菌基因组特点和其他生物一样，霉菌的基因组也是由DNA分子构成的。
霉菌的基因组大小和结构不仅受到生物进化的影响，还和其生活环境以及代谢特点有密切关系。
相对于细菌和真核生物，霉菌的基因组大小和复杂度处于中等水平。
一般来讲，霉菌的基因组长度在10-50Mbp之间，其中编码基因数目一般在7000-20000之间。
据目前已经发表的霉菌基因组文章，霉菌基因组具有下列特征：1.基因密度高霉菌的基因密度相对较高，基因间区域较短，编码基因的比例也比较大。
这是由于霉菌的细胞体积较大，需要大量的基因来维持代谢和细胞组织特化等功能。
2.基因重复性高霉菌基因组中存在大量的基因重复序列（如转座子、反转录酶等），这些序列不仅可以影响基因组稳定性，也可以促进基因组的横向转移和重组等过程。
3.基因组结构复杂霉菌基因组中存在丰富的基因家族和浮游基因，其中大多数基因的功能和调控机制仍然不清楚。
基因组中还存在大片的非编码RNA和间隔序列，其生物学意义尚待进一步研究。
4.基因组可塑性高霉菌基因组的可变性较强，包括基因重排、基因重复、突变和重组等现象。
这也是霉菌能够适应不同环境和生存模式的主要原因之一。
二、霉菌基因组的研究方法随着生物学技术的不断发展，现在已经可以通过多种手段对霉菌基因组进行系统的研究。
其中常用的研究方法包括：1.基因测序基因测序是霉菌基因组研究的核心方法之一。
通过测序霉菌基因组的DNA序列，可以快速准确地确定霉菌的基因组大小、基因组结构、基因组变异和基因组演化等信息。
目前可以使用的测序技术包括Sanger测序、第二代测序（如454、Illumina和Solexa）和第三代测序（如PacBio和Oxford Nanopore）等。
链霉菌抗生素生物合成中的细胞色素P450酶
链霉菌抗生素生物合成中的细胞色素P450酶潘丽霞;朱婧;王青艳;杨登峰【摘要】作为酶工程、有机化学和合成生物学领域的研究热点,细胞色素P450酶以其独特的催化特性以及广泛的存在性,吸引了大量研究人员的兴趣.近年来,随着全基因组测序技术、合成生物学和结构生物学的迅猛发展,在抗生素的生物合成过程中P450酶的功能研究得到了进一步解析.同时,细胞色素P450酶的蛋白质改造和新催化反应的研发不断取得新突破.本文就链霉菌属来源的细胞色素P450酶的特点以及最近的研究进展进行了总结与论述.【期刊名称】《中国抗生素杂志》【年(卷),期】2019(044)002【总页数】7页(P153-159)【关键词】链霉菌;抗生素;生物合成;酶工程;细胞色素P450酶【作者】潘丽霞;朱婧;王青艳;杨登峰【作者单位】广西科学院非粮生物质酶解国家重点实验室国家非粮生物质能源工程技术研究中心,广西生物质产业化工程院广西生物炼制重点实验室,南宁530007;广西科学院非粮生物质酶解国家重点实验室国家非粮生物质能源工程技术研究中心,广西生物质产业化工程院广西生物炼制重点实验室,南宁530007;广西科学院非粮生物质酶解国家重点实验室国家非粮生物质能源工程技术研究中心,广西生物质产业化工程院广西生物炼制重点实验室,南宁530007;广西科学院广西北部湾海洋研究中心,广西海洋天然产物与组合合成生物化学重点实验室,南宁530007【正文语种】中文【中图分类】R978.1细胞色素P450酶(P450s或者CYPs)是一类依赖于亚铁血红素，催化多种复杂氧化反应的多功能酶。
它广泛地存在于各种生物体内，包括细菌，真菌，哺乳动物以及人体。
之所以得名P450，是由于在催化过程中，其和亚铁血红素相互结合，形成硫醇-亚铁-一氧化碳复合物，该复合物在450nm处具有最大特征吸收波谱[1]。
P450不但在有害异物的脱毒，类固醇的生物合成以及人体的药物代谢中起非常重要的作用[2-3]，而且在天然产物的生物合成中也起到非常关键的作用[4-5]。
微生物抗生素生物合成途径及其机制研究
微生物抗生素生物合成途径及其机制研究抗生素是我们日常生活中必不可少的药物之一，它可以缓解许多细菌感染引发的症状。
而抗生素的主要来源就是来自微生物，如链霉菌、放线菌等。
微生物抗生素生物合成途径及其机制的研究，对于探索生物的多样性及其生命学、生态学和生物制药学等领域的研究具有重要意义。
1. 微生物抗生素的生物合成微生物生产抗生素是为了自我保护而产生的，抗生素生物合成的信号通常是外界环境的变化，例如食物和水的缺乏、气体或温度的变化等。
微生物抗生素生物合成的过程包括：基因表达、酶的合成、代谢产物的合成和转运等四个基本层次。
基因表达：微生物中抗生素的生物合成的调控通常是通过信号传导途径来实现的。
在细胞内，感应信号的接收通常是传递到转录调控子上来调控抗生素基因的表达。
在这些抗生素基因启动子中，存在各种各样的序列，这些序列通过核酸互补配对进行识别，并分别调控抗生素基因的表达。
酶的合成：合成酶是微生物抗生素生物合成的重要组成部分，它们决定了合成路径中的反应类型和速率。
大多数合成酶是将小分子基元转化成更复杂的分子结构，以便最终构建抗生素分子。
代谢产物的合成：抗生素的化学结构通常包括多个不同的分子基元，例如氨基酸、醇和α-酮酸等，这些基元来自于微生物的代谢。
转运：合成完成后，抗生素需要通过转运进入微生物的细胞外环境。
2. 抗生素生物合成途径的机制研究深入了解微生物抗生素生物合成途径的机制，可以帮助我们更好地理解微生物的生存策略，同时也可以为抗生素的生产提供理论基础。
目前，抗生素生物合成途径的机制研究主要分为以下几个方面。
生物合成途径的基因组和代谢组学研究：从基因组学和代谢组学的层面上分析微生物抗生素生物合成途径的基因调控关系和化学反应的代谢通路，可以为抗生素的高效合成和药物的研发提供理论基础。
分析微生物人位与代谢调控交互：人类微生物共生体平衡可以影响微生物生产抗生素的基因表达，同时，微生物代谢产物的变化也会影响人体内抗生素消耗。
微生物发酵工艺在抗生素合成中的应用研究
微生物发酵工艺在抗生素合成中的应用研究概述：抗生素是用于治疗和预防细菌感染的药物。
微生物发酵工艺在抗生素合成中的应用研究已经取得了显著的成果。
通过深入研究微生物的生理特性和合成途径，科学家们成功地利用微生物产生抗生素，提高了抗生素的产量和质量。
本文将对微生物发酵工艺在抗生素合成中的应用进行研究和探讨。
一、微生物发酵工艺在抗生素合成中的作用机制1. 微生物菌株的筛选：微生物菌种的选择是抗生素合成的基础。
科学家们通过对大量微生物进行筛选和分离，最终找到了一些具有高产抗生素能力的菌株。
2. 发酵条件的优化：在微生物合成抗生素的过程中，合适的发酵条件对产量和质量的影响至关重要。
科学家们通过调整温度、pH值、氧气供应等条件，优化了发酵过程，提高了抗生素的产量和纯度。
3. 策略和调控：通过对微生物代谢途径的了解，科学家们可以设计并引入新的策略和调控方法，以提高抗生素的合成效率。
例如，可以通过基因工程技术调节一些关键酶的活性，以增加合成途径中的中间产物和抗生素的积累。
二、微生物发酵工艺在抗生素合成中的具体案例1. 青霉素的生产：青霉素是一种广泛应用于临床的重要抗生素。
通过对青霉菌的发酵工艺的研究，科学家们成功地实现了青霉素的大规模生产。
青霉菌在合适的发酵条件下，能够利用发酵培养基中的碳源、氮源和微量元素等，合成青霉素。
通过对菌株的筛选和发酵条件的优化，已经实现了青霉素的高产。
2. 链霉菌素的合成：链霉菌素是一种广谱抗生素，对细菌和真菌都有抑制作用。
利用链霉菌菌株进行发酵合成链霉菌素已经取得了较好的效果。
通过对链霉菌的生理代谢途径的研究，科学家们确定了链霉菌素的主要合成途径，并根据代谢途径设计了合成策略。
通过发酵工艺的优化，已经实现了链霉菌素的高效合成。
3. 庆大霉素的制备：庆大霉素是一种抗生素，具有抑制多种革兰氏阳性细菌和一些阴性细菌的作用。
科学家们通过对庆大霉菌的研究，成功地实现了庆大霉素的合成。
通过优化发酵条件并引入基因工程技术，提高了庆大霉素的产量和质量。
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2、 抗生素耐药基因的抗抗生素种类（选择性） 与其位置有关。抗生素耐药基因对抗生素的选 择性不同，其中具有较强的抗生素选择性耐药 基因往往与抗生素合成基因成簇存在，而表达 多种抗生素耐药性的基因则不与抗生素合成基 因成簇存在。
如始旋链霉菌（S．pristinaespiralis）能够合
成链阳菌素类抗生素原霉素（Pristinamycin），它 是两种结构不同的分子的混合物，即原霉素Ⅰ（环形 十六肽）和原霉素Ⅱ（多不饱和大环内酯）。从始旋
这一研究计划共有44位学者参与完成，涉及 四个单位。主要完成单位是 Wellcome Trust Sanger Institute, Hinxton, Cambridge，UK .， 世界著名的链霉菌遗传学学者D.A.Hopwood 及 他所在的John Innes Center(Norwich,UK)也参 与了研究，
参与研究的还有 Department of chemistry, University of Warwich, Coventry,UK.，
我国台湾的 Institute of Genetics, National Yang-Ming University 也有一位学 者（C.W.Chen）参与了这一计划的研究工作 ［1］。
紧密成簇排列。请见下图与表：
Gene 203： 1–9
链霉菌抗生素生物合成相关基因在染色体或质粒 上成簇排列的特性，为我们研究这些基因的结构、调 控表达与进行基因克隆提供了方便。但是也带来了一 些问题，例如其中某一个基因一旦发生突变，有时往 往要影响到邻近基因的调控表达效率甚至关闭表达。 这也可能是导致抗生素生产菌株常常表现出生产性能 不稳定、效价达到一定水平后，进一步提高其发酵效 价就十分艰难的重要原因之一。
链霉菌的基因组 及其抗生素生物合成基因研究
吴雪昌 浙江大学遗传学研究所 Institute of Genetics Zhejiang University
一、链霉菌的基因组(Genome)
2002年5月，Bentley S.D.等在英国自然杂志 ［Nature 417:141-147(2002) ］以“Complete genome sequence of the model actinomycete
三、链霉菌抗生素抗性（耐药）基因 （Antibiotic resistance gene）
抗生素普遍存在于环境中（尤其是土壤 环境中），对细菌的生存造成了压力。在长期 的进化过程中，抗生素耐药基因在细菌中已经 普遍存在，这是自然选择的结果。在非抗生素 产生菌中，抗生素耐药基因的表达主要是为了 应对环境的抗生素压力。
产抗菌株存在抗性基因，这不难理解。 研究发现，产抗菌株不仅存在抗性基因， 而且抗性基因还参与了抗生素的生物合成 与调控，以确保抗生素耐药性的及时表达， 从而免受自身抗生素的伤害。研究还发现， 产抗菌株的抗性水平与该菌株自身的产抗 水平呈正相关。
这就使研究者们很快设想到，提高产抗菌株 存在的耐药水平，就会提高菌株的产抗生素水平。 因此，对产抗菌株的抗性基因的结构、表达调控研 究，在理论与工农医实践上均有重要的意义而成为 研究热点之一。
到目前为止，已揭示了一些基本规律， 也开展了有一定成效的应用研究。
1、在产抗生素的链霉菌中，耐药基因一般与抗 生素合成基因紧密连锁，而大部分抗生素合成基因簇 位于染色体DNA上。因而与合成基因连锁的耐药基 因也存在于染色体DNA上。到目前为止所发现的抗 生素合成基因簇中只有位于SCP1质粒上的次甲霉素 基因簇是一个例外，抗生素耐药基因可以脱离抗生素 合成基因簇而单独存在于质粒上，随质粒一起转移和 扩散。
的生物合成基因位于SCP（1）质粒上。
链霉菌抗生素生物合成相关基因在染色体 或质粒上往往成簇排列, 构成基因簇（Gene cluster）。包括抗生素的生物合成基因、耐 药基因、转运基因和调节基因，而耐药、转运 与调节基因三者大多与抗生素生物合成基因紧 密连锁并存在一种协同调节机制。
例如目前用于治疗急性白血病 (Leukemia)与淋巴瘤(Lymphomas)有良好 疗效的阿克拉霉素（Aclacinomycin），它 是由Streptomyces galilaeus 合成的聚酮类 化合物，其合成酶的生物合成涉及13个基因，
已公布的链霉菌的基因组的基本信息见 Table 1：
表
从上表可见，链霉菌的基因组是目前已完成测 序的原核生物基因组中生物信息量较大的基因组之
一， 生物信息量排名第二， 比大肠杆菌 （E. coli K12 4639221bp）的基因组大近一倍；
最大的为Bradyrhizobium japonicum （nt . 9105828bp）。 目前已完成测序94个细菌菌株
而对某些产抗生素链霉菌而言，除了受到 环境中的抗生素压力外，还首当其冲地受到自 身所产生的抗生素的更强的压力，在长期的进 化中，这些链霉菌也被认为是通过自然选择积 累了相应的抗生素耐药基因和调节基因，以保 护自身免受这些高浓度的致命代谢物的伤害。 而这些基因又被认为是病原细菌获得性耐药因 子的最初来源。
Streptomyces coelicolor
A3(2)”为题，报道了链霉菌的模式种天蓝色链霉菌
（Streptomyces coelicolor） A3(2)菌株的基因
组全序列研究结果。
这为链霉菌的后基因组研究奠定了基础。 它将有力地推动链霉菌抗生素生物合成基因的 结构、功能与表达调控的研究，从而将加速通 过基因工程构建高产抗生素工业菌株的研究进 程。
（涉及51个细菌属）。链霉菌基因组见下图：
二、链霉菌抗生素生物合成相关基因簇
研究已知，链霉菌抗生素生物合成相关基因在 链霉菌细胞中有两种存在方式：一是大多数抗生素其 生物合成基因存在于染色体上。二是少数抗生素的生 物合成基因存在于游离状态的质粒上，如天蓝色链霉 菌3（2）菌株中的次甲霉素（Methylenomycin）