呼吸道棒状杆菌天然产物生物合成能力的基因组挖掘揭示其生态与治疗潜力

这篇研究通过基因组挖掘揭示了人类呼吸道棒状杆菌（Corynebacterium）菌株中生物合成基因簇（BGCs）的多样性，包括聚酮合酶（PKS）、非核糖体肽合成酶（NRPS）和核糖体合成修饰肽（RiPPs）等。研究发现，尽管棒状杆菌基因组较小，但其BGCs的多样性远超其他呼吸道细菌，提示其在抑制病原体定植和生态平衡中的关键作用。该研究为开发新型抗菌药物和解析呼吸道微生物互作机制奠定了基础。

　　

ABSTRACT
呼吸道棒状杆菌作为健康上呼吸道（URT）微生物群的重要组成部分，其天然产物生物合成潜力长期未被充分探索。本研究通过基因组挖掘分析了148株临床分离株和13个参考基因组，鉴定出672个生物合成基因簇（BGCs），其中495个为独特簇，涵盖聚酮合酶（PKS）、非核糖体肽合成酶（NRPS）、铁载体和核糖体合成修饰肽（RiPPs）等家族。与8种常见呼吸道细菌相比，棒状杆菌展现出更丰富的BGC多样性，暗示其在微生物竞争和宿主防御中的核心作用。

INTRODUCTION
棒状杆菌属约170个物种中，仅少数如白喉棒状杆菌（C. diphtheriae）具有明确致病性。流行病学研究表明，棒状杆菌丰度与肺炎链球菌（S. pneumoniae）等机会病原体呈负相关，提示其通过次级代谢产物调控生态平衡的潜力。次级代谢产物如聚酮类（如红霉素）和非核糖体肽（如万古霉素）在药物开发史上地位显赫，而铁载体和RiPPs（如细菌素）则在微生物竞争中至关重要。

RESULTS
菌株特征与BGC分布
研究纳入161个基因组（含13个参考基因组），平均大小2.44 Mb。优势物种包括假白喉棒状杆菌（C. pseudodiphtheriticum）和丙酸棒状杆菌（C. propinquum）。antiSMASH6分析显示，每基因组平均携带4个BGCs，以萜烯（169个）、PKS（159个）和NRPS（130个）为主。值得注意的是，假白喉棒状杆菌和丙酸棒状杆菌的BGC多样性显著高于其他物种，且菌株间存在明显异质性。

跨物种比较
对比269株其他呼吸道细菌（如金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌）发现，棒状杆菌的BGC家族数量远超流感嗜血杆菌（H. influenzae）和卡他莫拉菌（M. catarrhalis），但低于金黄色葡萄球菌（S. aureus）。其中，棒状杆菌独特的萜烯和NAPAA簇在其他菌种中罕见。

关键BGC类群解析
T1PKS与NRPS簇
通过GeneGrouper将66个T1PKS簇分为3组，组内基因覆盖率达90%以上，但氨基酸同一性差异显著（25%-75%）。NRPS簇中，enterobactin合成酶（entF）和线性短杆菌肽合成酶（lgrB）等核心基因的发现，暗示潜在铁载体和抗菌肽的合成能力。

铁载体与RiPPs
65个铁载体簇中，IucA/IucC样合成酶分为3个进化支，其中假白喉棒状杆菌编码的酶保守性最高。RiPPs预测出8类细菌素，包括与乳酸球菌素972同源的IId类细菌素，其核心肽序列的独特性提示新型抗菌分子的存在。

DISCUSSION
棒状杆菌紧凑基因组中富集的BGCs，可能通过产生抗菌代谢物（如抑制肺炎链球菌的分子）维持呼吸道健康。菌株间BGC差异反映了生态位适应的多样性，而铁载体和细菌素的广泛分布为“劫持病原体铁摄取”的抗菌策略提供了线索。未来需通过功能实验验证这些簇的活性，并探索其治疗耐药感染的潜力。

MATERIALS AND METHODS
研究结合了博茨瓦纳、美国临床和社区来源的菌株，通过全基因组测序和antiSMASH6分析BGCs。GeneGrouper和系统发育分析用于簇分类，而跨物种比较纳入NCBI下载的呼吸道菌株基因组，确保分析严谨性。

（注：以上内容严格基于原文数据，未添加非文献支持的结论或推测。）