多层次工程策略实现抗肿瘤抗生素tsukubarubicin异源高产

《Microbial Cell Factories》：Engineering a Streptomyces albidoflavus cell factory for heterologous biosynthesis of tsukubarubicin

　　

摘要

背景

Tsukubarubicin是一种nogalamycin型蒽环类抗生素，对人乳腺癌细胞具有强效的细胞毒活性，是极具前景的抗肿瘤候选药物。然而，其天然产生菌仅能微量产生tsukubarubicin，且生长缓慢、遗传操作困难，这限制了进一步的药理学评估和潜在应用。为了克服这一瓶颈，我们开发了一种多层次工程策略来提高tsukubarubicin的产量。

结果

首先从PAC文库中分离出完整的tsukubarubicin生物合成基因簇（tsu-BGC），随后利用Red/ET重组工程进行载体骨架替换和整合模块的插入。将工程化的tsu-BGC通过接合转移导入异源宿主Streptomyces albidoflavus Del14中，获得了初始菌株D1401。为了优化途径特异性调控，我们通过基因敲除和不同强度启动子的过表达研究了调控基因tsuR1的作用。将tsuR1的天然启动子原位替换为P21启动子后，tsukubarubicin的产量从3.9 mg/L提升至37.8 mg/L。随后采用电子束辐照诱变进一步提高产量，对获得的高产突变株进行转录组分析，揭示了与tsukubarubicin生物合成增强相关的代谢变化。在这些发现的指导下，对候选代谢途径进行了合理工程改造，进一步提高了tsukubarubicin的产量。最终工程菌株D1404-1的tsukubarubicin产量达到153.0 mg/L，相比D1401提高了39倍。

结论

本研究建立了一个高效的tsukubarubicin异源生产平台，大幅缓解了其天然产生菌产量不足的供应限制。调控工程、诱变育种和理性代谢优化的组合为提升tsukubarubicin产量提供了有效策略，为药理学评估奠定了宝贵基础。此外，这一多层次工程范式为其他放线菌来源的多聚酮类天然产物的异源高产提供了通用性参考。

图形摘要

背景

Tsukubarubicin是一种nogalamycin型蒽环类抗生素，对人乳腺癌细胞具有强效的细胞毒活性，是极具前景的抗肿瘤候选药物。然而，其天然产生菌仅能微量产生tsukubarubicin，且生长缓慢、遗传操作困难，这限制了进一步的药理学评估和潜在应用。为了克服这一瓶颈，我们开发了一种多层次工程策略来提高tsukubarubicin的产量。

结果

首先从PAC文库中分离出完整的tsukobarubicin生物合成基因簇（tsu-BGC），随后利用Red/ET重组工程进行载体骨架替换和整合模块的插入。将工程化的tsu-BGC通过接合转移导入异源宿主Streptomyces albidoflavus Del14中，获得了初始菌株D1401。为了优化途径特异性调控，我们通过基因敲除和不同强度启动子的过表达研究了调控基因tsuR1的作用。将tsuR1的天然启动子原位替换为P21启动子后，tsukubarubicin的产量从3.9 mg/L提升至37.8 mg/L。随后采用电子束辐照引变进一步提高产量，对获得的高产突变株进行转录组分析，揭示了与tsukubarubicin生物合成增强相关的代谢变化。在这些发现的指导下，对候选代谢途径进行了合理工程改造，进一步提高了tsukubarubicin的产量。最终工程菌株D1404-1的tsukobarubicin产量达到153.0 mg/L，相比D1401提高了39倍。

结论

本研究建立了一个高效的tsukobarubicin异源生产平台，大幅缓解了其天然产生菌产量不足的供应限制。调控工程、诱变育种和理性代谢优化的组合为提升tsukobarubicin产量提供了有效策略，为药理学评估奠定了宝贵基础。此外，这一多层次工程范式为其他放线菌来源的多聚酮类天然产物的异源高产提供了通用性参考。

图形摘要