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[基因组测序] 微生物做完基因组测序做什么?不如做代谢物!

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发表于 2017.3.29 14:50:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
很多人对微生物的第一反应就是,脏!微生物确实会引起很多疾病,但同时,由于它们的物种丰富,基因种类繁多,能够产生异常丰富的酶和代谢化合物。众所周知的青霉素,其发现就是来源于真菌。如今,抗生素已经成为家喻户晓的一类药物。


今天我们一起来看看一篇利用基因组结合代谢组,发现微生物潜在应用价值的文章。


研究背景

青黴菌(Penicillia)种类繁多,这些真菌的某些物种所产生的酶和代谢物都非常丰富,在工业和药物生产上具有很高的应用价值。Pencillium arizonense是一种新发现的青黴菌,作者推断它也具有非常高的产酶和化合物能力。为了证实这个推论,作者利用全基因组测序结合代谢组的方式,系统地对P.arizonense的细胞生产能力进行研究。

实验设计

在土壤中分离IBT12285,IBT12287和 IBT12289三个P.arizonense菌株,分别进行基因组测序和代谢组(3个重复)分析,结合近源种基因组数据,分析P.arizonense的酶和代谢产物。


图1 研究路线

研究结果

1.基因组组装及组分分析

测序完后,共组装出33.7Mb基因组,其中N50为1 Mb(图2)。一共预测到12502个编码基因。


图2 基因组组装结果

2.分类地位显示P. arizonense能够产生丰富酶以及代谢物

组装分析完后,利用ITS等特征序列构建近缘种进化树(图3),发现其属于青黴菌Canescentia分支。由于Canescentia分支的真菌(如P.canescens)有个特点,它们属于土壤微生物,常见于森林等化学成分复杂区域,能够利用多用碳资源。因此推测P. arizonense具有丰富的碳水化合物代谢酶。

同时Canescentia(如P. griseofulvum)能够产生多种重要化学物质,例如抗真菌物质griseofulvin和抗癌药物,因此推测P.arizonense也可以产生丰富的化合物。


图3 P. arizonense进化关系分析

3.P. arizonense具有多样性的碳利用能力

在物种分类上推测P.arizonense具有丰富的产酶能力后,在DNA层面进行推论验证。

首先,在功能研究当中,利用KOG分析发现,P.arizonense在7个已知基因组的近缘种群体中的碳水化合物代谢基因种类最多,共有460多种(图4)。由于其他近缘种中有一些已被证明具有丰富碳代谢酶的物种(如A. oryzae),可知P.arizonense对碳的利用能力其实很多样化。


图4 P.arizonense与其他6个近缘种的KOG分析

同时,通过CAZy酶注释结果也发现P.arizonense在7个近缘种中碳水化合物代谢相关基因最高,共668个(图5)。这从另外一方面也说明P.arizonense能够产生大量的碳水化合物消化酶。


图5 P.arizonense与其他6个近缘种的CAZy酶分析

4.丰富的次生代谢物合成能力

分析完酶的生产能力后,作者继续分析代谢物生产能力。

首先在DNA层面,通过基因组预测并发现了P.arizonense具有62个次级代谢基因簇,这些基因簇的数目在9个近缘种中排名前列。这些近缘种不乏其他具有很高产代谢物能力的物种(如P.rubens),因此推测P.arizonense也能够产生丰富的化合物。同时,在发现的基因簇中,有9个与CAZy酶基因在基因组中存在共聚情况(图6),暗示这些次生代谢物基因簇有可能同时受CAZy酶的调控机制调控。


图6 次级代谢物基因簇与CAZy酶富集区在基因组中共聚情况

最后,在化学层面对P.arizonense具有丰富代谢物生产能力进行验证。利用HPLC结合MS的方法,检测了P.arizonense的代谢产物,发现其代谢产物主要分为7大类(图7),而且这些代谢产物几乎都与之前所预测的基因进行关联(图7红框)。其中这些代谢物中存在大量的Pyripyropenes、austalides和Tryptoquivalines等物质(图8),这些物质已被证明具有重要的药用价值,例如:Tryptoquivalines是一种抗菌药物。等等……


图7 代谢组鉴定物质与代谢基因簇关联


图8 主要代谢物鉴定情况(红:pyripyropenes,蓝:austalides,绿:tryptoquivalines)

文章总结

本文发现新真菌物种之后,首先通过基因组测序,分析其组成及分类地位。 确定其潜在功能之后,集中利用碳水化合物相关的数据库,对其潜在的酶生产能力进行研究。 同时结合基因组与代谢组数据,分析P.arizonense代谢产物丰富度,完成对其应用潜能挖掘。

参考文献:
Grijseels S, Nielsen J C, Randelovic M, et al. Penicillium arizonense, a new, genome sequenced fungal species, reveals a high chemical diversity in secreted metabolites[J]. Scientific reports, 2016, 6.


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钵水母

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发表于 2021.7.25 18:14:55 | 显示全部楼层
本文发现新真菌物种之后,首先通过基因组测序,分析其组成及分类地位。 确定其潜在功能之后,集中利用碳水化合物相关的数据库,对其潜在的酶生产能力进行研究。 同时结合基因组与代谢组数据,分析P.arizonense代谢产物丰富度,完成对其应用潜能挖掘。基因组+代谢组多组学联合揭示研究问题。
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钵水母

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