从人参（Panax notoginseng）根际土壤中的链霉菌（Streptomyces sp. SYP-A7185）中发现新的蒽环素衍生物及其遗传结构

《ACS Omega》：Discovery of New Angucyclin(on)e Derivatives and Their Genetic Architecture from Streptomyces sp. SYP-A7185 in the Rhizosphere Soil of Panax notoginseng

从三七根际土壤分离的链霉菌SYP-A7185经基因组测序和代谢组学分析，鉴定出26个次级代谢基因簇，其中BGC-14产生四种新非典型安纳吉林类衍生物（1、3、4、7）及三种已知化合物，通过NMR、IR等光谱解析结构，并发现其含六种独特糖基转移酶，生物活性显示部分化合物具有细胞毒和抗菌作用。

　　微生物天然产物一直是药物发现和开发的重要来源，因其结构新颖性、多样性和复杂性而受到广泛关注。特别是放线菌属中的链霉菌，因其在生产多种具有生物活性的次级代谢产物方面表现出色，成为研究的重点对象。链霉菌可以合成多种具有抗菌、抗病毒、抗癌、免疫抑制、杀虫、抗氧化和除草活性的化合物。据统计，超过50%的具有医学价值的抗菌和抗癌药物都源自链霉菌。然而，自1980年代以来，由于反复从放线菌中分离和筛选生物活性天然产物，发现新活性化合物的可能性显著降低。因此，研究人员开始将注意力转向探索微生物次级代谢产物的更多潜在来源，并提高其发现效率。

随着生物信息学和基因组挖掘技术的进步，现在可以通过计算手段探索微生物的生物合成潜力，从而减少实验操作，提高发现效率。近年来，广泛基因组测序数据的获取也揭示了微生物源中之前未被探索的代谢能力，重新激发了对这些次级代谢产物生产者的兴趣。基因组测序技术的突破使得隐藏的微生物次级代谢组得以揭示，从而确立了其作为新天然产物来源的重要性。通过将基因组挖掘与实验研究相结合，可以发现尚未被研究的基因簇，推动大规模探索和利用天然产物的医药潜力。

本研究中，我们从云南省文山地区的植物药用植物“三七”（*Pananx notoginseng*）根际土壤中分离得到一种链霉菌菌株SYP-A7185。该菌株的基因组通过全基因组测序技术完成，并在GenBank中登记为CP122310。该基因组包含一个长度为9,771,624 bp的单一线性染色体，其GC含量为71.29%。通过分析，我们发现了26个可能的生物合成基因簇（BGCs），涉及多种次级代谢产物的合成。其中，BGC-14被确认为负责合成类似grincamycin结构的angucyclin(on)e类化合物的基因簇。该基因簇与已知的grincamycin BGC（来自*Streptomyces lusitanus* SCSIO LR32）在序列上具有79%的相似性。此外，BGC-14还包含六个糖基转移酶（AgnGT1–AgnGT6），这在已知的angucyclin(on)e基因簇中极为罕见。这些生物合成元素的鉴定极大地拓展了angucyclin(on)e类化合物的遗传资源，为靶向遗传操作和合成途径工程提供了有价值的工具。

进一步的结构分析表明，从SYP-A7185中分离并鉴定出七种次级代谢产物，包括四种新的非经典angucyclin(on)e衍生物（化合物1、3、4和7）以及三种已知化合物（化合物2、5和6）。这些化合物的结构通过多种光谱技术（如高分辨率质谱、核磁共振、红外光谱等）进行确认，并且它们的生物活性也得到了评估。实验结果显示，化合物1–3对多种癌细胞系表现出中等程度的细胞毒性，而化合物4对*Staphylococcus aureus*和*Klebsiella pneumoniae*表现出一定的抗菌活性。这些结果强调了angucyclin(on)e衍生物的结构多样性和生物活性潜力，为未来的药物发现和生物合成工程提供了新的机遇。

本研究中发现的这些化合物及其生物合成基因簇为未来探索这一具有重要药理意义的化合物类别奠定了基础。BGC-14中包含的七个氧化还原酶（AgnO1–AgnO7）和六个糖基转移酶（AgnGT1–AgnGT6）可能在合成这些化合物的过程中发挥关键作用。值得注意的是，这些糖基转移酶的数量在已知的angucyclin(on)e基因簇中非常罕见，这表明SYP-A7185菌株可能具有独特的次级代谢产物合成能力。此外，该菌株的基因组还包含多种调控基因和转运蛋白，进一步支持其在次级代谢产物合成中的潜力。

本研究不仅揭示了SYP-A7185菌株在次级代谢产物合成方面的潜力，还通过详细的结构分析和生物活性测试，为相关化合物的进一步研究提供了重要信息。例如，化合物1的结构与已知的monacyclione G相似，但其在C-9位置上含有一个olivose糖基，这一结构特征在angucyclin家族中较为罕见。化合物3则与已知的6-hydroxyfridamycin E结构相似，但其在OH-1位置上多了一个甲基基团。而化合物4和7则在结构上表现出高度氧化的状态，显示出与已知化合物的显著差异。这些发现不仅丰富了angucyclin(on)e类化合物的化学多样性，也为未来的药物开发提供了新的线索。

从生物合成途径的角度来看，BGC-14中包含了一系列与次级代谢产物合成相关的基因，包括编码核心结构的基因（*agnABCDEF*）以及与糖基化和后修饰相关的基因。这些基因的协同作用可能负责生成具有复杂结构的angucyclin(on)e衍生物。其中，AgnO1–AgnO7可能在氧化还原反应中发挥重要作用，而AgnGT1–AgnGT6则负责糖基的转移。这些基因簇的鉴定为理解angucyclin(on)e类化合物的生物合成机制提供了新的视角，并为通过基因工程手段调控其合成提供了理论基础。

此外，本研究还揭示了链霉菌在次级代谢产物合成中的多样性。尽管已有大量研究关注于典型的angucyclin(on)e类化合物，如landomycin、gephyromycin、saquayamycin等，但SYP-A7185菌株中发现的这些新化合物和基因簇为该类化合物的进一步研究提供了新的方向。特别是，BGC-14中包含的多个糖基转移酶和氧化还原酶可能暗示着链霉菌在合成复杂次级代谢产物方面具有更大的潜力。这些发现不仅有助于拓展我们对angucyclin(on)e类化合物的认知，还可能为未来的药物开发和合成生物学研究提供新的工具和方法。

本研究还强调了微生物次级代谢产物在医药领域的广泛应用前景。通过基因组挖掘和实验验证，我们发现SYP-A7185菌株具有合成多种具有潜在药理活性的化合物的能力。这些化合物的结构多样性以及其在抗肿瘤和抗菌方面的活性，表明它们可能成为开发新型药物的候选分子。同时，这些结果也提示我们，应进一步探索链霉菌在其他环境中的次级代谢产物合成能力，以发现更多具有生物活性的化合物。

在实验方法方面，我们采用了多种分离和鉴定技术，包括不同类型的色谱法（如硅胶柱层析、Sephadex LH-20柱层析、HPLC等），以确保所分离化合物的纯度和结构的准确性。同时，我们还利用了先进的光谱技术，如紫外光谱、红外光谱、核磁共振光谱等，对化合物的结构进行详细分析。这些技术的综合应用不仅提高了化合物鉴定的准确性，也为未来类似研究提供了方法上的参考。

综上所述，本研究从链霉菌SYP-A7185中分离并鉴定出多种具有潜在药理活性的次级代谢产物，并揭示了其生物合成基因簇的组成和功能。这些发现不仅有助于深入理解angucyclin(on)e类化合物的生物合成机制，还为开发新的药物提供了新的方向。此外，这些研究结果也表明，微生物次级代谢产物在药物发现中的重要性，以及通过基因组挖掘和结构分析技术进一步探索其潜力的必要性。未来的研究可以围绕这些新发现的化合物及其基因簇展开，以期进一步揭示其生物活性机制，并推动其在医药领域的应用。