絲狀真菌具有強大的次級代謝產物合成能力，可以產生結構複雜多樣、具有廣泛生物活性的化合物。目前，許多絲狀真菌的次級代謝產物或其衍生物都已被開發成重要藥物應用於臨床中，包括青黴素、他汀類降血脂藥物和抗真菌藥物棘白菌素。探索絲狀真菌次級代謝產物的生物合成機制，對於進一步挖掘次級代謝產物資源和開發新型藥物具有重要意義。
中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員呂雪峰帶領的微生物代謝工程研究組長期從事絲狀真菌天然產物生物合成研究，尤其是在土麴黴工業生產衣康酸和他汀類藥物方面做了大量應用導向的代謝工程研究工作（Microb Cell Fact.2014a, 2014b；Metab Eng. 2017；Biotechnol J. 2018；ACS Synth Biol. 2019）。與此同時，該研究組還圍繞絲狀真菌天然產物基因組挖掘和生物合成機制展開了系統的探索性研究，於近期在土麴黴中發現了一種複雜、新穎的絲狀真菌次級代謝產物合成及調控機制，發表在《德國應用化學》期刊上（Angew Chem Int Ed Engl, 2020，DOI: 10.1002/anie.201915514）。
絲狀真菌次級代謝產物合成過程中一般是由核心酶（聚酮合酶PKS、非核糖體多肽合成酶NRPS和萜烯環化酶TCs等）負責合成化合物骨架，然後由其他輔助酶進一步修飾，這些酶的編碼基因通常都集中位於同一個基因簇內。該研究組基於化合物結構分析、轉錄組分析和體內基因敲除驗證，發現由位於兩個獨立基因簇中的四個核心基因（1個還原型PKS、2個非還原型PKS和1個NRPS-like）共同參與負責合成一類含有6/6/6/6的稠環骨架（6/6/6/6 tetracyclic system）的新化合物azasperpyranones，這有利於增加化合物的結構複雜性和生物活性。在此基礎上，進一步通過體內基因敲除和體外酶學驗證，對兩個基因簇進行了功能分析，系統解析了該類化合物的生物合成途徑。同時，研究人員還發現這兩個獨立的基因簇之間雖然存在空間距離，但是存在一種由三個轉錄調控因子介導的多層級轉錄調控，這使得它們能夠相互協調共同參與化合物的合成。
這是首次在絲狀真菌中解析兩個獨立基因簇、四個核心基因共同合成一個次級代謝產物，也是首次發現兩個獨立基因簇在多層級的協同調控機制下共同作用。該發現對於研究絲狀真菌合成複雜化合物的生物機制具有重要意義，為真菌次級代謝產物生物合成途徑解析和新型天然產物基因組挖掘提供了新思路。
該研究獲得國家自然科學基金、山東省自然科學基金等的支持。
圖1. 兩個獨立基因簇通過多層級轉錄調控協同合成目標天然產物
圖2. 提出的生物合成途徑
來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所