多组学数据显示丁酸钠对链霉菌基因表达和蛋白质修饰的影响

学术背景

链霉菌因其具有丰富的基因簇和生产大量天然产物的潜力而受到广泛关注。组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂在真菌的组蛋白修饰中扮演着重要角色，但其在原核生物中的作用却知之甚少。尤其在链霉菌中，这些抑制剂是否可以影响次生代谢物的生物合成仍是一个值得研究的问题。现代生物信息学的发展使得从链霉菌中发现了大量的抗生素生物合成基因簇（BGCs），但在实验室培养条件下，这些基因簇大多数处于沉默状态，无法表达出多样的生物活性产物。因此，激活这些沉默的 BGCs 是开发新型生物活性化合物的重要策略。

论文来源

本研究由中国科学院微生物研究所刘双江和谭华荣等教授团队撰写，文章于2022年9月2日发表于《Genomics Proteomics & Bioinformatics》。本文探讨了 HDAC 抑制剂丁酸钠（SB）对链霉菌次生代谢物合成的全球影响，特别是沉默 BGCs 的激活作用。

研究流程

实验对象

本研究以从海洋沉积物中分离的链霉菌 Streptomyces olivaceus FXJ 8.021 为模型菌株，探讨 SB 对次生代谢物生物合成的影响。菌株 FXJ 8.021 完整基因组测序显示，含有线性染色体和一个质粒，GC 含量为 72.39%，编码 7385 个蛋白质、18 个 rRNA、66 个 tRNA 和 63 个非编码 RNA。

实验步骤

1. BF 含量的预测和基因分析：使用 antiSMASH 分析菌株 FXJ 8.021 的基因组，预测了 33 个次生代谢物合成基因簇。这些基因簇中，14 个与多种次生代谢物的合成有关，包括聚酮类、非核糖体肽类等。
2. SB 对静默 BGCs 表达的影响：通过 RT-PCR 和 HPLC 分析，确定 SB 能够激活静默的 Lobophorin BGC，并探讨了其他 HDAC 抑制剂（SAHA、VA）的效果。结果显示，SB 能显著提高 Lobophorin 的生物合成。
3. 化学结构分析：对发酵液进行乙酸乙酯提取，并通过 HPLC 和 NMR 分析，确定了 Lobophorin A 和 B 的化学结构。
4. 转録组学分析：RNA-Seq 结果显示，在 SB 存在下，FXJ 8.021 中显著影响了 2471 个基因的表达水平，其中 1333 个基因上调，1138 个基因下调。

新颖方法和技术

1. 多组学分析：本研究结合了基因组学、转录组学和蛋白乙酰化组学，阐明了链霉菌应对 SB 的全局细胞响应。
2. 蛋白质相互作用网络分析：通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，分析了 SB 调控链霉菌基因表达和代谢物合成的复杂层级关系。

主要研究结果

1. 基因簇激活：RT-PCR 分析和 antiSMASH 预测结果一致，显示 SB 激活了静默的 Lobophorin BGC，RNA-Seq 数据证实了 Lobophorin 生物合成基因的表达上调。
2. 乙酰组学分析：LC-MS/MS 分析展示了 SB 处理后 FXJ 8.021 中蛋白质的乙酰化变化，识别了 1473 个乙酰化蛋白质，218 个乙酰化位点上调，411 个乙酰化位点下调。
3. 前体分子积累：SB 处理后，FXJ 8.021 的细胞内CoA酯类前体（如乙酰-CoA、甲基丙二酰-CoA）的浓度显著增加，促进了 Lobophorin 的生物合成。

结论

本研究揭示了 HDAC 抑制剂 SB 通过调节链霉菌蛋白质乙酰化水平，促进代谢物前体的积累，进而激活次生代谢物合成基因簇。该研究不仅提供了一种激活链霉菌静默 BGCs 的有效策略，也加深了对链霉菌中蛋白质乙酰化对初级和次级代谢调控的理解。

研究意义和应用价值

1. 科学价值：研究揭示了 SB 对链霉菌次生代谢物合成的全局影响，提供了细菌 HDAC 抑制剂在微生物代谢调控中的应用示例。
2. 应用价值：通过激活沉默 BGCs，本研究为开发新型抗生素提供了潜在的方法，有助于应对抗生素耐药性和新兴病原体带来的公共健康挑战。

研究亮点

1. 新发现的抗生素：首次确认了 SB 能够激活链霉菌中静默的 Lobophorin 基因簇，揭示了细菌中乙酰化修饰的潜在调控机制。
2. 创新技术：综合应用多组学分析方法，系统揭示了链霉菌在 SB 存在下的复杂细胞响应。
3. 广泛影响：通过调控链霉菌乙酰化水平，研究展示了 SB 在提高生物活性物质生产中的应用潜力。

其它有价值的信息

研究团队重点强调了 SB 处理对蛋白质乙酰化和全局乙酰化变化的深入分析，未来在探索细菌纳布尔蛋白（NAPs）的精细化调控机制中，将以本研究为基础，进一步探讨这些小分子抑制剂在微生物代谢调控与利用方面的应用拓展。