中科院微生物所 尹文兵團(tuán)隊(duì)建立基于單細(xì)胞定量表征的絲狀真菌啟動(dòng)子高通量篩選方法及應(yīng)用
疫抑制等多種活性,是藥物和藥物前體的重要來(lái)源。近年來(lái)隨著基因組測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展,發(fā)現(xiàn)真菌大多數(shù)生物合成基因簇是“沉默”的,如何開發(fā)有效的激活策略已成為挖掘真菌天然活性產(chǎn)物的亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。啟動(dòng)子工程改造是激活基因簇的有力手段,但是在絲狀真菌中,數(shù)量過(guò)少的啟動(dòng)子和繁瑣耗時(shí)的鑒定方法制約了該方法的應(yīng)用,因此,如何高效快速的鑒定并評(píng)估啟動(dòng)子強(qiáng)度一直是研究的熱點(diǎn)。
近日,中國(guó)科學(xué)院微生物研究所尹文兵課題組在Science China Life Sciences發(fā)表了題為Quantitative characterization of filamentous fungal promoters on single-cell resolution to discover cryptic natural products的研究論文,以絲狀真菌構(gòu)巢曲霉為研究模型,建立了基于單細(xì)胞定量表征的絲狀真菌啟動(dòng)子高通量篩選方法。
該研究首先建立了構(gòu)巢曲霉高通量原生質(zhì)體制備方法,并結(jié)合流式細(xì)胞儀單細(xì)胞熒光檢測(cè)手段,創(chuàng)建了基于單細(xì)胞水平表征的真菌啟動(dòng)子高通量篩選方法,能夠更高效、快速、精確地定量表征啟動(dòng)子表達(dá)強(qiáng)度。系統(tǒng)分析了來(lái)源于Aspergillus Genome Database (AspGD)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)巢曲霉的454個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,從中篩選出93個(gè)與次級(jí)代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子作為研究對(duì)象,并借助高通量篩選方法,對(duì)其表達(dá)強(qiáng)度進(jìn)行了精確評(píng)估,獲得了相對(duì)表達(dá)強(qiáng)度高達(dá)37倍的天然啟動(dòng)子文庫(kù)。其中,有兩個(gè)啟動(dòng)子PzipA和PsltA的表達(dá)強(qiáng)度是組成型啟動(dòng)子PgpdA的2.9和1.5倍。

圖1. 絲狀真菌啟動(dòng)子的高通量篩選及定量表征流程
為評(píng)估新高通量篩選方法的精確性,該研究隨機(jī)選擇不同強(qiáng)度水平的啟動(dòng)子,利用qRT-PCR對(duì)其負(fù)責(zé)的SfGFP基因表達(dá)量進(jìn)行測(cè)定;通過(guò)共聚焦顯微鏡觀察熒光強(qiáng)度;用于激活沉默的免疫抑制劑neosartoricin生物合成基因簇,并計(jì)算neosartoricin產(chǎn)量,以反映啟動(dòng)子表達(dá)水平。結(jié)果表明,利用以上三種手段表征的啟動(dòng)子強(qiáng)度水平均與啟動(dòng)子文庫(kù)一致,證明最新建立的基于單細(xì)胞水平表征的真菌啟動(dòng)子高通量篩選方法能夠可靠、準(zhǔn)確地表征啟動(dòng)子強(qiáng)度。
此外,該研究還利用篩選出的兩個(gè)強(qiáng)啟動(dòng)子PzipA和PsltA,替換煙曲霉非核糖體多肽合成酶基因Afpes1的原始啟動(dòng)子,成功激活該沉默基因,并通過(guò)天然產(chǎn)物分離鑒定兩個(gè)新型環(huán)四肽化合物,命名為fumiganins A和B。鑒于前人對(duì)Afpes1基因的研究,該研究推測(cè)其產(chǎn)物fumiganins可能與煙曲霉氧化脅迫響應(yīng)機(jī)制及毒力作用相關(guān)。
綜上所述,該研究開發(fā)了一種基于流式細(xì)胞的單細(xì)胞定量方法來(lái)精確評(píng)估基因啟動(dòng)子,并以絲狀真菌構(gòu)巢曲霉為模型,表征并構(gòu)建了包含93個(gè)本地啟動(dòng)子的調(diào)控元件文庫(kù),為絲狀真菌啟動(dòng)子的定量表征提供了一種高效的篩選策略;同時(shí)也為微生物調(diào)控元件的開發(fā)提供了新的途徑,將促進(jìn)真菌新型天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)和合成生物學(xué)創(chuàng)制。
中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究所博士生魏鵬霖、特別研究助理范潔以及已畢業(yè)碩士生余婧雯為該文章的共同第一作者,尹文兵研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020YFA0907800)、國(guó)家自然科學(xué)基金(31861133004, 81872771)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃生物資源衍生庫(kù)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目及博士后科學(xué)基金的資助。

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