基因改造提升克雷黄霉素产量并增强其神经保护潜力

本研究针对克雷黄霉素(chrexanthomycins)产量低、生物合成机制不明的问题，通过异源表达chr基因簇、敲除负调控因子、过表达正调控因子等策略，解析了其生物合成途径，使重组链霉菌产量提升10倍以上。研究发现新型衍生物克雷黄霉素G(cG)具有显著神经保护活性，可缓解β淀粉样蛋白(Aβ)诱导的氧化应激、抑制Aβ聚集并改善线虫记忆功能，为神经退行性疾病治疗提供了新思路。

　　

神经退行性疾病如阿尔茨海默病(AD)正成为全球健康危机，现有药物疗效有限。克雷黄霉素作为一类独特的五角多酚类化合物，虽展现神经保护潜力，但受限于低产率难以应用。来自南方海洋科学与工程广东实验室的研究团队通过多学科交叉研究，揭示了这类天然产物的生物合成奥秘并开发出高效制备策略。

研究采用基因簇异源表达、CRISPR基因编辑、体外生化反应等技术，以Streptomyces chrestomyceticus BCC24770为研究对象。通过构建细菌人工染色体(BAC)文库，结合UPLC/MS分析，首次鉴定了包含53个基因的chr生物合成基因簇。关键发现包括：敲除乙酰辅酶A羧化酶基因chrK使产量提升3.56倍；过表达正调控因子chrQ使克雷黄霉素A(cA)和C(cC)分别增产4.48和1.87倍；发现新型糖基转移酶UGT50负责葡萄糖醛酸基团的添加。

研究结果部分：

1. 1.

   chr基因簇鉴定：通过基因组测序和异源表达证实chr基因簇负责克雷黄霉素合成，核心PKS模块chrL/chrM敲除导致产物完全消失。

2. 2.

   产量提升策略：双重调控（敲除负调控chrA+过表达正调控chrQ）使cA和cC产量分别提升10.5倍和7.94倍。

3. 3.

   关键酶功能：FAD依赖的单加氧酶ChrN具有双重功能，既能催化cA转化为cC，又参与含氧杂环形成；UGT50被证实是葡萄糖醛酸化的关键酶。

4. 4.

   新衍生物发现：获得结构简化但活性增强的cG，其晶体结构通过单晶X射线衍射解析。

5. 5.

   神经保护验证：在HT22细胞模型中，cC对谷氨酸兴奋毒性的EC₅₀低至0.03244 μM；在线虫AD模型中，5 μM cG可减少57.8%的Aβ沉积，改善记忆功能并延缓瘫痪。

讨论指出，该研究不仅阐明了葡萄糖醛酸化多酚类化合物的生物合成机制，更通过基因改造将cC产量提升至35.12 mg/L。特别值得注意的是，cG虽缺乏葡萄糖醛酸基团，但表现出独特的跨膜渗透性和多靶点神经保护作用，包括缓解氧化应激、抑制Aβ聚集等。这些发现为开发针对AD等神经退行性疾病的多功能治疗药物提供了新思路，同时建立的基因编辑策略也可推广至其他微生物天然产物的产量优化。

论文发表于《Journal of Advanced Research》，研究得到国家重点研发计划等项目支持。Wei Ye和Wenkang Ye为共同第一作者，Peiyuan Qian和Aifang Cheng为通讯作者。这项工作展示了合成生物学与药物开发的完美结合，为"微生物细胞工厂"的构建提供了范本。