《Communications Biology》：Regulatory and metabolic control of microbial biosynthetic gene clusters
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微生物生物合成基因簇（BGCs）编码多样化的生物活性分子，但在实验室培养条件下大多处于沉默状态，这反映了调控控制与次级代谢产物合成代谢成本之间的平衡关系。尽管目前已存在多种激活策略，但产量仍维持在较低水平，原因在于单纯开启基因簇并不能确保宿主细胞能够持续支撑生
微生物生物合成基因簇（BGCs）编码多样化的生物活性分子，但在实验室培养条件下大多处于沉默状态，这反映了调控控制与次级代谢产物合成代谢成本之间的平衡关系。尽管目前已存在多种激活策略，但产量仍维持在较低水平，原因在于单纯开启基因簇并不能确保宿主细胞能够持续支撑生物合成过程。本综述系统阐述了决定BGC输出水平的调控架构与代谢限制因素，涵盖前体可用性、能量状态及营养感应等关键维度。研究人员提出，将调控网络模型与基因组尺度代谢模型（GEMs）耦合，能够为解锁沉默BGCs、充分挖掘微生物基因组中蕴藏的生物合成潜力提供强有力的研究框架。
引言
天然产物长期以来是药物研发的重要源泉，随着高通量测序技术与宏基因组学的发展，微生物群落中蕴含的大量未开发生物合成途径逐渐被揭示。次级代谢产物（SMs）虽不直接参与微生物生长繁殖，却在生态竞争与信号传递中发挥关键作用，其中约半数已上市的小分子药物及农用保护剂均源自天然产物或其衍生物。这些代谢产物的遗传基础是位于基因组上共定位的生物合成基因簇（BGCs），其典型结构包含核心骨架合成酶、修饰酶、调控因子及转运蛋白等模块。然而，尽管微生物基因组的生物合成潜力远超预期，绝大多数BGCs在标准实验室条件下呈转录沉默状态。现有激活策略虽能启动基因簇表达，但产量往往仅能满足生态功能需求，难以达到工业化生产标准，这凸显了代谢与调控层面的双重限制。从进化视角看，BGCs的沉默源于微生物对初级代谢的资源优先分配策略，次级代谢合成需要消耗大量前体与能量，迫使细胞在增殖与特化代谢产物合成之间进行权衡，这种代谢竞争正是多层调控机制存在的根本原因。当前研究过度依赖模式宿主进行异源表达，但许多BGCs的表达依赖于宿主特异性转录因子、信号网络及代谢线索，导致激活效率低下。因此，深入解析原生宿主中BGC的转录调控逻辑，整合调控与代谢双重视角，是实现沉默基因簇理性激活的关键路径。
多层调控的生物合成基因簇表达
BGCs的沉默由多层调控系统共同维持，破解这一“调控密码”是释放其生物合成潜力的前提。转录调控处于核心地位，其层级网络整合了全局转录因子（GTFs）与通路特异性转录因子（PSTFs）的功能。GTFs感知广泛的代谢或环境信号，调控细胞整体生理状态，而PSTFs则作为专用开关，协调簇内所有生物合成基因的表达。以天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）中放线紫红素（ACT）合成的调控为例，SARP家族转录激活因子ActII-ORF4可结合簇内多个启动子区域，实现基因的同步激活。PSTFs的功能具有进化动态性，如真菌中XanC在构巢曲霉中激活黄青霉素BGC，而在扩展青霉中同源蛋白则调控橘霉素BGC，提示构建调控网络模型时需考虑物种特异性。PSTFs的活性常受局部抑制因子精细调控，如链霉菌中的γ-丁内酯信号系统，当信号分子SCB1积累至阈值时，可解除TetR家族抑制因子ScbR对PSTF编码基因kasO的阻遏。此外，替代σ因子也可驱动BGC激活，如抗霉素BGC中保守的ECF σ因子AntA可直接启动合成相关操纵子的转录。
GTFs在BGC调控中发挥主导作用，部分小型BGCs缺乏PSTFs，直接受GTFs结合启动子调控；更常见的则是层级调控模式，即GTFs感应环境信号后诱导PSTFs表达，进而激活下游基因。磷酸盐响应系统PhoR-PhoP是研究最深入的全局调控系统之一，在高磷条件下，PhoP抑制pactamycin等次级代谢产物合成；磷酸盐限制时，PhoP诱导磷酸盐获取基因，同时解除对多条次级代谢途径的抑制。氮代谢调控核心因子GlnR的活性随氮源可用性变化，其在不同链霉菌物种中对BGC的调控效应存在差异：在天蓝色链霉菌中，glnR缺失会促进ACT合成但降低十一烷基灵菌红素产量；在阿维链霉菌中，GlnR通过aveR促进阿维菌素合成，同时通过olmRI/RII抑制寡霉素产生。碳代谢物 repression 由DasR介导，该因子响应N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）信号，在无GlcNAc时抑制actII-ORF4与redD表达，GlcNAc转化为葡萄糖胺-6-磷酸（GlcN-6-P）后可灭活DasR，解除阻遏。这些全局调控网络并非独立运作，PhoP可直接结合glnR启动子抑制其活性，磷酸盐结合蛋白PstS也参与碳代谢信号感知，形成复杂的转录调控回路，共同决定次级代谢的时空表达模式。
表观遗传与转录后调控是BGC表达的额外控制层面。细菌中，核相关蛋白通过改变DNA拓扑结构调控染色质可及性，如链霉菌中的Lsr2蛋白作为主抑制因子，优先结合富含AT的区域（多数聚酮合酶PKS与非核糖体肽合酶NRPS BGCs的特征），其功能缺失会导致隐秘SM位点广泛去抑制。真菌中，BGCs常位于异染色质区域，组蛋白乙酰化通常激活而甲基化抑制基因表达，但这种二元划分过于简化，如禾谷镰刀菌中Bikaverin BGC的激活不仅需要组蛋白乙酰化，还需特定去甲基化酶去除抑制性标记H3K27me3，染色质重塑因子LaeA在这一过程中发挥关键调控作用。转录后调控可通过非编码小RNA介导mRNA降解或翻译阻断，或通过核糖开关实现代谢物反馈抑制，但这些机制在多顺反子BGC的整体协调调控中的作用尚待阐明，单一位点的转录后调控如何影响BGC内多酶编码基因的计量平衡，仍是该领域的知识缺口。各类调控元件并非孤立作用，而是构成复杂的调控网络，推动研究范式从单个调控因子解析向系统水平建模转变，但即便整合染色质可及性等层面的调控模型，仍无法完全解释BGC的输出水平，因其最终受限于前体可用性、辅因子与能量状态及中心代谢通量等代谢容量因素。
次级代谢产物合成中的代谢与资源分配
调控决定BGC何时激活，而代谢决定细胞是否有能力执行这一决策，代谢状态是理解BGC表达逻辑与限制的核心。BGC激活本质上是一种经济选择，受外部环境与细胞内生化状态的共同塑造。“一株菌多产物”（OSMAC）策略的成功表明，环境变异可通过重塑细胞代谢直接影响BGC表达。前体可用性至关重要，SMs合成与初级代谢共享前体池，如丙二酰辅酶A是聚酮类化合物合成的关键前体，其供应不足会限制放线紫红素等产物的合成；分支酸作为莽草酸途径的核心中间体，既是芳香族氨基酸的前体，也是FK506等次生代谢产物的起始单元前体，两者竞争导致FK506合成与初级代谢存在固有冲突。能量供应同样是瓶颈，SM合成涉及多步还原与氧化反应，大量消耗ATP与NADPH，这种资源竞争是前述多层调控系统进化的底层驱动力。
生长与次级代谢之间存在固有的资源分配权衡：营养充足时，细胞优先快速增殖，葡萄糖等碳源会抑制多数BGCs的转录；营养匮乏时，细胞生理优先级发生转换，如链霉菌中PhoR-PhoP双组分系统感知磷酸盐限制后，下调生长相关途径，上调抗生素BGCs，将资源导向特化代谢。类似的营养响应切换也存在于丝状真菌中，氮源可利用性变化可激活构巢曲霉中沉默的SM基因簇。即使BGCs处于转录活跃状态，生物合成输出仍受代谢容量限制，如过表达乙酰辅酶A羧化酶可增加丙二酰辅酶A供应，显著提升聚酮类化合物产量；增强莽草酸途径酶活性可缓解FK506合成的前体瓶颈。这种代谢约束在异源表达中尤为突出，将大型BGCs导入大肠杆菌等快速生长宿主时，前体、辅因子与能量的大量消耗会破坏宿主生理稳态。单纯增加前体丰度并不总能提升产量，因为次级代谢运行于更广泛的生理背景下，最终限制产量的不是单一瓶颈，而是代谢通量、能量可用性与调控信号的动态互作。除前体与能量外，翻译成本也是重要负担，BGCs常编码PKS、NRPS等大型酶，其合成需要消耗大量核糖体资源、氨基酸与GTP；稀有tRNA（如天蓝色链霉菌bldA编码的亮氨酰tRNA，负责UUA密码子翻译）的可用性也会独立于转录调控限制生物合成输出。这些复杂性凸显了系统水平代谢建模与工程框架的必要性，以预测宿主瓶颈、优化通量分布并设计长期稳定的生产菌株。
生物合成基因簇激活策略
现有BGC激活策略可分为两类：多效性（全局）方法与通路特异性（靶向）方法。多效性策略通过改变细胞整体调控景观发挥作用，包括营养限制（磷酸盐胁迫、氮源波动等）、共培养诱导种间信号交流、前体补料改变代谢通量、随机/转座子诱变筛选等。经典随机诱变在青霉素工业生产菌株迭代改良中成效显著，但现代转座子诱变等方法仍属经验性探索，虽能鉴定出有益突变，却难以阐明其作用机制，限制了成果的转化推广。高通量筛选技术可辅助突变体识别，但仍面临通量瓶颈，亟需系统生物学框架提供理性指导。
通路特异性策略直接操控BGC内部的调控元件，CRISPR-Cas系统的应用极大拓展了靶向激活的可能性，可实现BGC上游强启动子插入、PSTF表达调控及调控区域精准编辑。噬菌体是新兴的 orthogonal 调控元件来源，其携带的强启动子、终止子及σ样因子可用于重构非模式宿主中沉默BGC的调控架构，噬菌体来源的整合酶与重组系统也为基因组精准编辑提供了新工具。多效性方法虽能高效发现新生物活性，但效应弥散且不可控，可能同时激活多个BGCs，难以实现对单一靶标簇的表达优化与稳定高产。通路特异性方法精度更高，但高度依赖对BGC架构、调控回路及代谢需求的详细认知，在模式宿主中相对可行，但在原生或非模式生产者中面临巨大挑战——这类宿主的启动子特征、调控依赖关系、全局控制系统及前体供应途径等信息往往十分有限。总体而言，无论采用何种策略，成功的关键在于协调调控控制与细胞代谢容量，否则易导致表达不稳定、资源耗竭或生产缺陷型突变体快速富集。深入理解调控信号传播、代谢资源重分配及表达稳定性机制，结合生物信息学与计算方法提供的系统水平解析，是解决这些限制、实现沉默BGC理性激活的核心方向。
用于激活生物合成基因簇的计算建模方法
沉默BGC的激活与高效表达是一个多步骤问题，需依次完成BGC识别、调控逻辑解析及宿主代谢容量评估，计算工具正逐步覆盖各环节并形成统一框架。基因组挖掘工具如antiSMASH已成为BGC鉴定的核心手段，其整合规则库、隐马尔可夫模型与结构域架构分析，可识别特征生物合成酶、界定簇边界并预测化学类别；机器学习方法如DeepBGC、BiGCARP与BGC-Prophet通过大数据训练，能够捕获传统工具遗漏的非典型BGCs，拓展了生物合成多样性的发现边界。
在调控解析层面，antiSMASH TFBS Finder模块可注释BGC启动子区域的潜在转录因子结合位点（TFBSs），为调控关系预测提供假设；COMMBAT工具针对BGC调控区普遍存在的功能性低亲和力结合位点，整合序列与功能背景信息，显著提升了TFBS预测的准确率。实验验证已证实这类调控导向方法的效能：通过分析锌摄取调控因子Zur的结合位点，成功鉴定了日本糖多孢菌中[S,S]-EDDS合成相关aes基因；整合调控网络与共表达数据也实现了未知BGC的功能解析。进一步整合机器学习与转录组数据可重构全基因组调控网络，独立成分分析鉴定的iModulons可将转录组分解为共调控单元，量化追踪环境条件变化时整体调控程序对BGC的激活或抑制效应，为理解全局与通路特异性信号的整合机制提供了系统视角。
然而，调控解析无法解决SM合成对宿主的代谢负担问题，基因组尺度代谢模型（GEMs）通过通量平衡分析（FBA）实现代谢通量的计算机模拟，可预测前体可用性、识别代谢瓶颈并指导理性工程策略。链霉菌GEMs已成功模拟初级-次级代谢转换过程中的资源重分配，跨物种比较FBA分析更揭示了一个关键现象：拥有最多BGCs的生物未必具备过量合成相应化合物的代谢能力，即生物合成潜力与生产容量并不等价。这种仅靠实验难以获得的洞察，凸显了约束-based建模在菌株设计中的预测价值。如图1所示，整合多组学数据、调控网络模型与GEMs的AI辅助框架，代表了沉默BGC理性激活与微生物细胞工厂构建的新兴前沿。但当前BGC相关代谢途径自动重构入GEMs的准确性仍有待提升，更复杂的菌株工程策略仍需进一步发展。
结论与展望
微生物的大部分生物合成潜力因BGCs在实验室条件下的沉默而无法被利用，克服这一挑战需要理解调控机制与代谢能力的协同作用。BGC激活是受调控许可与代谢能力双重决定的复杂过程：调控层面涉及通路特异性与全局转录因子、染色质组织及高阶调控网络的共同影响；代谢层面则需要充足的前体供应、能量支持、翻译能力以及与初级代谢和生长的动态平衡。现有激活策略常仅关注单一维度，而整合多效性与通路特异性实验策略，结合高通量多组学数据与代谢建模、调控网络分析，能够提供更为系统的研究框架。这类方法既可系统解析调控-代谢的互作对话，也能提供单个转录因子与BGC行为的机制性见解，支撑靶向假设检验并直接反馈至实验设计。通过整合调控网络模型、GEMs与多组学数据，研究范式有望从试错法向可预测的理性策略转变，最终实现微生物基因组中蕴藏的生物合成潜力的充分挖掘。
