中科院微生物所 尹文兵團隊建立基于單細胞定量表征的絲狀真菌啟動子高通量篩選方法及應用
疫抑制等多種活性,是藥物和藥物前體的重要來源。近年來隨著基因組測序技術(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)鍵問題。啟動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)量過少的啟動子和繁瑣耗時的鑒定方法制約了該方法的應用,因此,如何高效快速的鑒定并評估啟動子強度一直是研究的熱點。
近日,中國科學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,建立了基于單細胞定量表征的絲狀真菌啟動子高通量篩選方法。
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)合流式細胞儀單細胞熒光檢測手段,創(chuàng)建了基于單細胞水平表征的真菌啟動子高通量篩選方法,能夠更高效、快速、精確地定量表征啟動子表達強度。系統(tǒng)分析了來源于Aspergillus Genome Database (AspGD)數(shù)據(jù)庫構(gòu)巢曲霉的454個轉(zhuǎn)錄因子,從中篩選出93個與次級代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子啟動子作為研究對象,并借助高通量篩選方法,對其表達強度進行了精確評估,獲得了相對表達強度高達37倍的天然啟動子文庫。其中,有兩個啟動子PzipA和PsltA的表達強度是組成型啟動子PgpdA的2.9和1.5倍。

圖1. 絲狀真菌啟動子的高通量篩選及定量表征流程
為評估新高通量篩選方法的精確性,該研究隨機選擇不同強度水平的啟動子,利用qRT-PCR對其負責的SfGFP基因表達量進行測定;通過共聚焦顯微鏡觀察熒光強度;用于激活沉默的免疫抑制劑neosartoricin生物合成基因簇,并計算neosartoricin產(chǎn)量,以反映啟動子表達水平。結(jié)果表明,利用以上三種手段表征的啟動子強度水平均與啟動子文庫一致,證明最新建立的基于單細胞水平表征的真菌啟動子高通量篩選方法能夠可靠、準確地表征啟動子強度。
此外,該研究還利用篩選出的兩個強啟動子PzipA和PsltA,替換煙曲霉非核糖體多肽合成酶基因Afpes1的原始啟動子,成功激活該沉默基因,并通過天然產(chǎn)物分離鑒定兩個新型環(huán)四肽化合物,命名為fumiganins A和B。鑒于前人對Afpes1基因的研究,該研究推測其產(chǎn)物fumiganins可能與煙曲霉氧化脅迫響應機制及毒力作用相關(guān)。
綜上所述,該研究開發(fā)了一種基于流式細胞的單細胞定量方法來精確評估基因啟動子,并以絲狀真菌構(gòu)巢曲霉為模型,表征并構(gòu)建了包含93個本地啟動子的調(diào)控元件文庫,為絲狀真菌啟動子的定量表征提供了一種高效的篩選策略;同時也為微生物調(diào)控元件的開發(fā)提供了新的途徑,將促進真菌新型天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)和合成生物學創(chuàng)制。
中國科學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。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2020YFA0907800)、國家自然科學基金(31861133004, 81872771)、中國科學院戰(zhàn)略生物資源服務網(wǎng)絡計劃生物資源衍生庫項目、中國科學院從0到1原始創(chuàng)新項目及博士后科學基金的資助。

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