枯草芽孢杆菌源抗生素研究进展

动物医学进展,2010,31(9):97101Pr ogress in Veterinary Medicine

枯草芽孢杆菌源抗生素研究进展

王

强,彭开松,严

兵,屠利民,涂

健,祁克宗*

(安徽农业大学动物科技学院,安徽合肥230036)

摘要:枯草芽孢杆菌为革兰阳性菌,其基因组结构复杂,能产生多种抗生素,主要包括肽类物质和非肽

类物质。肽类物质可分为两类,一类由核糖体途径合成,另一类由非核糖体途径合成;非肽类物质包括聚酮化合物、氨基糖和磷脂。论文介绍了已知的枯草芽孢杆菌抗生素的结构和生物合成过程,给出一些抗生素的调控途径。概述了枯草芽孢杆菌抗生素除抗菌活性以外其他的生物学活性,为枯草芽孢杆菌抗生素的研究提供参考。

关键词:枯草芽孢杆菌;抗生素;活性;基因

中图分类号:859.796

文献标识码:A

文章编号:10075038(2010)09009705

枯草芽孢杆菌(Ba cillus sub tilis)是一种嗜热、好氧产芽孢的革兰阳性杆状细菌,其生理特征多样,易分离培养,能产生多种抗生素[12],这些抗生素包括肽类抗生素、脂肽类抗生素、磷脂类抗生素、聚酮化合物、氨基糖等[3]

,它们能克服病原菌对现有抗生素的耐药性问题,其中尤为重要的是具有极高生物工程利用价值的脂肽类和肽类抗生素。如核糖体途径合成的肽类抗生素枯草菌素(Subtilin)、Ericin 和Mersacidin 等,非核糖体途径合成的脂肽类抗生素表面活性素(sur factin)、伊枯草菌素(iturin)、丰原素(fengycin)等。研究发现,所有编码这些抗生素的基因全长共计350kb,没有一株细菌拥有所有这些基因,而且其染色体基因中平均只有4%~5%用于抗生素的表达

[4]

。本文对枯草芽孢杆菌抗生素的结

构、生物合成过程、调控途径及特殊的生物学功能做

一简要概述。

1

核糖体合成的肽类抗生素

1.1

常见的硫醚抗生素

硫醚抗生素(lantibiotics)是一种含有硫醚键独

特结构的抗生素,根据结构的不同,将硫醚抗生素分为A 、B 两个类型[5]。A 型硫醚抗生素(21个~38个氨基酸残基)具有线性化的二级结构,它可以通过电压使细胞膜形成小孔,从而进入细胞杀死革兰阳性细菌。与A 型硫醚抗生素相比,B 型硫醚抗生素具有不同的环状二级结构。值得注意的是,乳球菌

产生的乳酸链球菌素(nisin)[6]

也属于硫醚抗生素,

并且是细胞壁肽聚糖前体脂质,它既是一种重要的受体分子又是细胞膜间隙的固有成分。产硫醚抗生素的枯草芽孢杆菌具有自身保护机制来回避自身产物的作用,这种菌体自身保护机制依靠ATP 结合(AT P binding cassette,ABC)蛋白

与转运蛋白

类似的蛋白质,将硫醚抗生素转运到细胞外[7]。此外,一些产硫醚抗生素的细菌拥有细胞膜内的脂蛋白,这种脂蛋白具有隔绝的功能,阻止高浓度的硫醚抗生素接近细胞膜或者通过硫醚抗生素脂质干扰

细胞膜空隙的形成。

枯草菌素是含有32个氨基酸的五环状硫醚抗生素,它的结构与广泛应用的乳链菌素(nisin )类似[8]

。枯草菌素基因簇可以编码枯草菌素前肽SpaS 、负责翻译后形成硫醚氨酸的SpaBC,以及某些变异株含有的负责输出的转运蛋白SpaT 。另外,胞外的枯草芽孢杆菌丝氨酸蛋白酶Wpra 和Vpr 也参与了枯草菌素的合成。枯草菌素自身免疫受脂质蛋白和ABC 转运蛋白SpaFEG 的调节,它的生物合成是通过正反馈机制来控制的,在这种正反馈系统中,胞外的枯草杆菌素能够激活调控系统中的两种成分感应组氨酸激酶(Spak)和调控蛋白(SpaR),后者与能够启动枯草菌素合成基因(spaS 和spaBT C)和免疫基因(spalFEG)的启动子(spa box)核酸序列结合[9]。SpaRK 的表达受控于芽孢形成转录因子

*

收稿日期3基金项目国家高技术研究发展计划(63计划)(6Z3);科技部科技人员服务企业行动项目(G 3)

作者简介王强(),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,主要从事动物生物医药与功能评价。*通讯作者

:2010022

:8200AA10202009JC 0041:1984-

SigH,而SigH本身受到对数生长期的过渡态调控因子AbrB的抑制作用,因此,枯草杆菌素似乎受双重调控。

Ericin是枯草芽孢杆菌菌株A1/3产生的一种抗生素,其基因簇开放阅读框与枯草菌素对应的基因很相似,其包括两个结构基因(Ericin A和Ericin S)。Ericin S和枯草菌素只有四个氨基酸残基的区别[10],但Ericin A有一个环状结构,与Ericin S相比,有16个氨基酸的不同。Ericin S与Er icin A只需要一种单独的合成酶(EriBC),这反映了硫醚抗生素合成路径的多样性。

Mersacidin属于B型硫醚抗生素,它具有环状结构,能够与脂质配对从而抑制细胞壁的形成。Mersacidin基因簇包括结构基因mr sA,以及参与翻译后修饰的基因mrsM、mrsD、转运基因mrsT、免疫基因mrsFEG和调控基因mrsR1、mrsR2、mrsK2。mrsR1负责调控Mersacidin的生物合成,mrsR2和mrsK2专门调控Mersacidin免疫转运蛋白编码基因mrsFGE[11]。Mersacidin的分泌开始于稳定生长期,但是它的调控系统和枯草芽孢杆菌的细胞调控网络之间的关系至今还不清楚。

1.2特殊的硫醚抗生素

Sublancin168含有一个甲基硫醚键和两个二硫键,对革兰阳性菌有优先选择作用,它的结构基因sunA来源于枯草芽孢杆菌温和噬菌体SP,因此感染SP噬菌体的细菌所产生的细菌素成分与Sublancin的成分相同[12]。另外,Sublancin基因簇中还含有一个ABC转运子(SunT)和两个二硫化物氧化还原酶基因(BdbAB)。BbdB能编码合成Sub lancin,其他基因的作用可能是形成二硫键。在Sublancin的产生过程中,BdbB的同种异型基因BdbC产生的蛋白,一部分功能与BdbB蛋白相同,但是,BdbB不能弥补BdbC的功能,这表明两种紧密联系的二硫化物氧化还原酶基因有不同之处。

Subtilosin A含有一个大环结构,其中还含有三个内部残基形成的链接结构,并且它的硫醚键是由半胱氨酸硫原子和氨基酸碳连接形成的。Subti losin A对多种革兰阳性菌都有抗菌作用,其中包括李斯特杆菌。编码AkbA(YwiA)蛋白的sbo alb(抗李斯特杆菌的抗生素)基因簇,很有可能参与了S前肽的翻译后修饰,F(Y N)可能参与了和免疫蛋白B D(Y Q O)[3]的加工过程,而且只有在B调控条件之下才会表达基因。2非核糖体合成的肽类抗生素

非核糖体合成的多肽抗生素广泛分布于细菌和真菌中,其合成系统由NRPSs体系和催化区域组成,其中NRPSs体系含有多种酶,催化区域则能催化多肽合成过程中的所有步骤,包括氨基酸的选择与缩合。非核糖体肽类合成过程中每一个延伸循环都需要三个核心区域:!腺苷酰作用区域(550aa),本区域选择它的同源氨基酸并产生对酶稳定的氨酰基腺苷酸,这一作用机制与核糖体多肽合成过程中tRNA合成酶的氨酰化类似;硫醇化区域(肽载体区域)(80aa),它含有4#磷酸泛酰巯基乙胺(PPan)辅基,PPan辅助因子具有硫模板和摆动臂的作用使中间产物在催化中心之间转运;缩合区域(用于形成新肽键),本区域位于腺苷酰作用区域和肽转运区域之间。这种多样性的核心区域(1~3)和流水线似的装配特点确保了多肽产物的协调延伸。大部分情况下,非核糖体合成的终止是通过多肽产物自身形成的巨大的环状结构而实现的[14],这种具有代表性的反应是通过N RPS装配线中C端硫脂酶区域催化实现的。两种组合系统为了使单体分子和增长的链形成共价键,都使用了多样性的Ppan载体,因此NRPSs与聚酮化合物合成酶紧密相关。

枯草芽孢杆菌脂肽表面活性素是已知的最有效的生物表面活性素20mol/L的溶液就能使水表面的张力从72mN/m降到27mN/m,它的作用原理类似去垢剂。表面活性素的生物合成主要通过Srf A C这三种NRPSs酶;硫脂酶/酰基转移酶Sr fD激活了这个过程。表面活性素耐药性是由革兰阳性菌多种药物泵出系统大家族RND(r esist ance nodulation and cell division)家族的成员之一YerP产生的。srfA和comS的表达是通过复杂的网络调控的,这种网络能够控制细胞的分化,包括细胞外ComX产生的菌群反应,以及这两种成分调控的ComPA系统[15]。因此,枯草芽孢杆菌利用菌群反应途径,可以实现DNA的摄取和表面活性素的生成,而获取外源DNA能够提高细菌家族基因多样性。

伊枯草菌素家族成员都含有环状结构,并且由7个氨基酸和1个氨基脂肪酸(AA,amino fat ty acids)组成,其成员包括抗霉菌枯草杆菌素(my cosubtilin)、伊枯草杆菌素(itur ines)和杆菌霉素(y),这些成员都有很强的抗真菌和溶血性作用,但只局限于抑菌活性方面,它们的合成都是通过与NR S机制相似的抗霉菌枯草杆菌素(y)合成酶、伊枯草杆菌()素合成

98动物医学进展2010年第31卷第9期(总第207期)

ubtilosin Alb wh

subtilosin Alb wh P1

Abr

sbo alb bacillom cins

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m cosubtilin iturin