微生物来源的天然产物一直以来都是药物研发的主要来源[1]。近年由于抗生素的滥用,临床上涌现出多种多重耐药致病菌,如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、耐万古霉素粪肠球菌以及耐碳青霉烯类抗生素肺炎克雷伯菌等“超级细菌”。多重耐药的“超级细菌”的出现严重威胁人类的健康,国际上迫切需要结构和作用机制新颖的抗生素来治疗“超级细菌”引起的感染。核糖体肽类抗生素是由核糖体合成的一类翻译后高度修饰的肽类化合物(ribosomally synthesized posttranslationally modified peptides,RiPPs),RiPPs具有结构多样性和生物活性多样性,其中羊毛硫肽类抗生素抗菌作用机制独特[2],微生物不易产生抗药性,例如乳链球菌肽nisin作为食品防腐剂应用了近60年,至今没发现微生物对其产生抗性[3-4],这预示着羊毛硫肽类化合物在药用方面可能有很大的发展潜力,是发掘抗生素的重要研究对象[5-6]。
核糖体肽类化合物通常由前体肽经蛋白酶切割、多重修饰后生成成熟的活性肽。前体肽由信号肽、前导肽及核心肽组成,其中信号肽负责前体肽在细胞内的定位,前导肽则主要介导核心肽上修饰反应的发生,修饰后的前体肽经蛋白酶水解切除信号肽和前导肽部分,形成成熟的活性肽,释放到胞外[7]。羊毛硫抗生素(lantibiotics)是目前研究最深入的一类核糖体肽类抗生素,其生物合成[7]、作用机制[8-9]、生物活性及应用[10-11]等方面都有较深入的研究。羊毛硫抗生素具有特征性的脱氢丙氨酸(Dha)、脱氢氨基丁酸(Dhb)以及羊毛硫氨酸(Lan)或甲基羊毛硫氨酸(MeLan),其前体肽通常含有较多的丝氨酸、苏氨酸以及半胱氨酸残基。根据羊毛硫氨酸或甲基羊毛硫氨酸的合成机制可以将羊毛硫抗生素分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四类。Ⅰ类的Lan(或MeLan)由Ser(或Thr)与Cys经由脱水酶LanB和环化酶LanC催化生成;Ⅱ类由包含脱水和环化结构域的双功能酶LanM催化生成;Ⅲ与Ⅳ类则分别由LanKC和LanL催化生成,LanKC和LanL均包含中心激酶结构域、N-端磷酸丝氨酸/磷酸苏氨酸裂酶结构域以及C端环化酶结构域。其中LanL的环化酶结构域中的3个结合金属离子的氨基酸残基与LanC中的保守一致,LanKC中的环化酶结构域则不存在这3个保守的氨基酸残基[7]。此外,羊毛硫肽类化合物的结构多样性还源于大量其他种类的翻译后修饰,如酰基化、糖基化、卤化、异戊烯化和差向异构化等[12],所有已知的羊毛硫肽都需要经过一系列的翻译后修饰才能成为具有生物活性的活性肽[7]。
笔者所在课题组通过异源表达筛选娄彻氏链霉菌Sal35的基因组细菌人工染色体(BAC)文库,发现一个新型羊毛硫抗生素雷可肽(lexapeptide)。雷可肽的化学结构(图1)[13]中含有2个Dha、3个Dhb、1个Lan和1个C-端氨乙烯基甲基Cys(AviMeCys),然而测序发现其生物合成基因簇中并不含有传统的Ser/Thr脱水酶和环化酶同源基因,表明雷可肽是一种新型的羊毛硫抗生素。同时,从1株高杰氏链霉菌Sgt26(Streptomyces galtieri 26)的基因组BAC文库中筛选得到1个抗菌活性克隆4D8,测序发现其含有雷可肽生物合成基因簇的同源基因簇[13],命名为lxm2。本研究通过异源表达4D8阐明基因簇lxm2负责合成的次级代谢产物,并通过基因敲除实验确定相应化合物的合成是否与雷可肽同源基因簇lxm2有关,旨在为雷可肽的结构改造研究奠定基础。
图1 雷可肽的结构[13]
Fig.1 The structure of lexapeptide[13]
变铅青链霉菌GX28为异源表达宿主[14]。金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、耻垢分支杆菌(Mycobacterium smegmatis)mc2 155以及蕈状芽孢杆菌(Bacillus mycoides)为抗生素活性测定指示菌。高杰氏链霉菌Sgt26分离自神农架原始森林。4D8为来自高杰氏链霉菌Sgt26的基因组文库BAC克隆,含有雷可肽同源基因簇lxm2[13];BAC文库载体为pHL931[13]。大肠杆菌DH10B为BAC克隆和质粒载体的宿主菌,大肠杆菌ET12567/pUB307为大肠杆菌-链霉菌三亲本接合转移的辅助菌株[15]。pJTU6722含有红霉素抗性基因,作为模板扩增红霉素抗性基因,用于4D8中的雷可肽同源基因簇的基因置换。MS培养基用于链霉菌菌种的活化和产孢[16]。YBP培养基用于链霉菌菌株的固体发酵[17]。LB培养基[18]用于大肠杆菌和生测指示菌的培养。抗生素及使用质量浓度(μg/mL):阿泊拉霉素(Am)50、卡那霉素(Km)100、氯霉素(Cml)25、萘啶酮酸(Ndx)25、三甲氧苄啶(TMP)50。
通过PCR-targeting技术[19]敲除4D8中的雷可肽同源基因簇。PCR-targeting引物为TAR-F:GCCTTCTGCACGCTGTCCCCGATGGCCTTG-GCGTCGACCGCGTCCAGGACGATTCCGGGGATCCGTCGACC;TAR-R:ACGAGAAGGACCTGTTCGAGGGTTACACCGCCTACACCTCC-GCCGAGGAGCTGTAGGCTGGAGCTGCTTC,模板为pJTU6722,PCR扩增含红霉素抗性基因的片段,将纯化的PCR产物电转化到BW25113/4D8,筛选红霉素抗性重组子。验证基因敲除的引物为4D8-1-F:GCCTTCTGCACGCTGTCC,4D8-1-R:AGCATCAGCAGCATCTCGT;4D8-2-F:GCTTCCTTCGTGTCCTGGTC,4D8-2-R:GCCGTACTCCTGCTGATGAC。
通过三亲本接合转移将含有接合转移起始区oriT的BAC克隆4D8、基因簇敲除克隆4D8Δlxm2和BAC载体pHL931接合转移到高产抗生素的变铅青链霉菌GX28中。三亲本接合转移方法参见文献[15]。含质粒的大肠杆菌ET12567为接合转移供体菌,变铅青链霉菌GX28为受体菌,大肠杆菌ET12567/pUB307为辅助菌。加抗生素Am和TMP覆盖后的接合转移平板于30 ℃培养5 d至接合子产孢;挑取6个接合子转接到含有Am和Ndx的MS平板上,30 ℃培养5 d至产孢;将孢子转接到YBP培养基上,30℃发酵7 d。
用HPLC(色谱柱:Agilent公司ZORBAX 300SB-C18,5 μm,4.6 mm×250 mm)分析检测Lxm-N-六肽,紫外检测波长为230 nm,洗脱溶剂为水+0.1% TFA(A相)、乙腈+0.075% TFA(B相),流速1 mL/min,梯度洗脱条件见表1。
将固体发酵物切碎,用等体积甲醇浸提3次,浸泡过程中用机械力持续搅拌,浸提液用真空旋转蒸发仪减压蒸馏;得到的甲醇浸提物用少量水溶解,然后加入等体积的正丁醇萃取3次,萃取液经减压蒸馏去除有机试剂。再用CHP20P大孔吸附树脂分离,将正丁醇萃取物通过干法上样加入到CHP20P色谱柱(柱长60 cm,内径5 cm)内,甲醇-水梯度洗脱(甲醇梯度由50%上升至100%),每个梯度冲洗3倍柱体积,流速为20 mL/min,收集洗脱液,并用HPLC检测。合并含有目标色谱峰的样品,减压蒸馏去除溶剂,同样的方法用窄内径的CHP20P色谱柱(柱长40 cm,内径2 cm)将合并的样品进行再次分离纯化。将得到的样品用尽可能少量的甲醇溶解,样品溶液经过2 μm有机相滤膜过滤后加入到Sephadex LH20色谱柱(柱长180 cm,内径2 cm)内,甲醇洗脱,流速为150 μL/min,收集样品并用HPLC检测,合并含有目标化合物的组份。最后用分析型HPLC(SHIMADZU VP-ODS,5 μm,4.6 mm× 250 mm)分离纯化目标化合物,洗脱溶剂为水+0.1% TFA(A相)、乙腈+0.075% TFA(B相),流速为0.8 mL/min,梯度洗脱条件见表1。
通过1D和2D核磁共振谱(NMR)和质谱进行鉴定。NMR谱采用美国Bruker核磁共振仪(600 MHz),化学位移以四甲基硅烷为内标(TMS,δ=0.0 ppm)。LC-MS采用带有电喷雾离子源(ESI)的安捷伦1100-LC/MSD离子阱系统,其中HPLC采用表1分离纯化条件;高分辨质谱采用与安捷伦1200 HPLC联用的6530四级杆飞行时间质谱仪Accurate-Mass QTOF,并采用ESI离子源。
表1 Lxm-N-六肽的HPLC检测和HPLC分离纯化条件
Table 1 HPLC conditions for Lxm-N-
hexapeptide detection and purification
检测条件Detection condition时间/minTimeA/%B/%纯化条件Purification condition时间/minTimeA/%B/%090100752559010775252050507.10100300100140100350100157525369010207525459010
将1%琼脂固体培养基微波加热熔化后,置于55 ℃水浴中冷却15~20 min,以0.1%~0.2%(V/V)的量加入生测指示菌的活化培养物,混合均匀后铺制生测指示菌平板(25 mL/板),将无菌滤纸片或牛津杯置于含生测指示菌的培养基上,再将样品液加到滤纸片(20 μL上样量)上或牛津杯(200 μL上样量)中,置于37 ℃培养1~2 d观察抑菌圈。
对BAC克隆4D8中的lxm2基因簇进行基因敲除,用红霉素抗性基因置换基因簇中除lxm2T和lxm2R(分别负责编码转运蛋白和调控蛋白)外的所有lxm2基因,得到BAC质粒4D8Δlxm2,PCR验证正确(图2A、B)。将含lxm2基因簇的BAC克隆4D8、基因敲除BAC质粒4D8Δlxm2和pHL931空载体对照接合转移到高产抗生素的变铅青链霉菌宿主菌GX28中,得到接合子,分别发酵后进行有机溶剂萃取,通过HPLC检测分析发酵抽提物。从HPLC图谱观察到GX28/4D8在22.1 min时产生1个吸收峰(图2C星号标记),与来自娄彻氏链霉菌Sal35的羊毛硫抗生素雷可肽(lexapeptide)标准品的保留时间相同。分析敲除突变株GX28/4D8Δlxm2的代谢产物,发现突变株中不再产生该色谱峰。利用HPLC半制备接峰获得小量样品,通过高分辨四级杆串联飞行时间质谱检测得到解卷积相对分子质量为3 872(图3A),与雷可肽标准品相对分子质量大小一致。该结果表明BAC克隆4D8的lxm2基因簇也负责合成雷可肽。
分析HPLC图谱,与空载体菌株GX28/pHL931以及原始菌株高杰氏链霉菌Sgt26的发酵产物比较,在菌株GX28/4D8的HPLC图谱中还出现1个新的差异色谱峰(图2C菱形标记,保留时间为18.4 min)。通过HPLC半制备分离该色谱峰对应的化合物,得到少量样品,利用液质联用质谱(LC-MS)检测化合物,相对分子质量为653.6([M+H]+)(图3B)。分析4D8的DNA序列发现,除同源基因簇lxm2之外,没有发现可预测的其他次级代谢相关的基因簇,因此,推测该化合物的合成也与雷可肽同源基因簇有关。分析敲除突变株GX28/4D8Δlxm2的HPLC代谢图谱,发现突变株中也不产生该化合物(图2C),表明其合成的确与lxm2基因簇有关。
A:同源基因簇lxm2基因敲除及PCR验证示意图 Schematic diagram of the knockout of homologous gene cluster lxm2 and PCR verification;基因簇lxm2中,A编码前体肽,D编码半胱氨酸脱羧酶,X编码脱水酶,K编码激酶,Y编码可能的环化酶,M编码N-甲基转移酶,P2和P1编码肽酶,J编码还原酶,T编码转运蛋白,R编码LuxR家族的转录调控蛋白 A encodes prepeptide,D encodes cysteine decarboxylase,X encodes putative lyase,K encodes kinase,Y encodes putative cyclase,M encodes N-methyltransferase,P2 and P1 encode peptidase,J encodes reductase,T encodes transporter,R encodes LuxR family transcriptional regulator; B:PCR扩增结果 PCR amplification results;C:雷可肽及Lxm-N-六肽的HPLC检测 HPLC analysis for lexapeptide and Lxm-N-hexapeptide;星号标记为雷可肽,菱形标记为Lxm-N-六肽 The peaks labeled with asterisk are lexapeptide,the peak labeled with diamond is Lxm-N-hexapeptide.
图2 雷可肽同源基因簇lxm2的敲除和异源表达
Fig.2 Gene knockout and heterologous expression of the homologous lexapeptide gene cluster lxm2
A:Lexapeptide的解卷积质谱图 Deconvoluted mass spectrum of lexapeptide; B:Lxm-N-六肽的质谱图 Mass spectrum of Lxm-N-hexapeptide.
图3 Lexapeptide和Lxm-N-六肽的相对分子质量检测
Fig.3 Molecular weight determination of lexapeptide and Lxm-N-hexapeptide
跟踪差异峰分离纯化相应化合物,从20 L发酵培养物得到白色粉末状纯品1.5 mg。将纯化的样品溶于氘代试剂DMSO-d6中进行1D-和2D-NMR谱分析,NMR数据总结如表2,推测其结构为含有多重修饰的Me2-Phe-Dha-Pro-Dhb-Ile-Pro六肽(图4A),其序列与雷可肽的N-端一致,因此将这个小分子肽命名为Lxm-N-六肽。如图3所示,Lxm-N-六肽的N-端Phe上存在2个N-甲基化修饰,还包括另外2个修饰氨基酸,即衍生自Ser的脱氢丙氨酸(Dha)和由Thr衍生的脱氢-α-氨基丁酸(Dhb)。对Lxm-N-六肽纯品进行高分辨质谱分析,相对分子质量为653.368 5([M+H]+),理论计算值为653.366 3([M+H]+),误差为3.6 ppm(图4B);利用串联质谱分析,发现其二级质谱碎片也与NMR推测结构一致,产生了与理论计算值相符的b型碎片离子峰(图4C)。
表2 Lxm-N-六肽的NMR数据汇总(600 MHz,DMSO-d6)
Table 2 NMR spectrum data of Lxm-N-hexapeptide (600 MHz,DMSO-d6 )
碳原子Carbon化学位移δCppm质子Proton化学位移*δHppm (Mult,J in Hz)1H-1H-COSY1H-13C HMBC N,N-二甲基苯丙氨酸 N,N-dimethyl Phenylalanine (Me2-Phe)1169.1C2-H,C3-H2,Dha-NH268.6C2-H3.47 (dd,10,5)C3-H2C3-H2,C10/10'-H3332.7C3-H22.77 (dd,5,13),2.89 (dd,10,13)C2-HC2-H4138.7C2-H,C3-H2,C6/8-H5,9129.2C5/9-H7.17 (m)C6/8-HC3-H26,8128.2C6/8-H7.25 (m)C5/9-H,C7-H7126.1C7-H7.17 (m)C6/8-H10,10'41.3C10/10'-H32.25 (s)C2-H脱氢丙氨酸Dehydroalanine (Dha) 1165.3C3-H2,NH,Pro I-C2-H2137.8C3-H2,NH3103.4C3-H24.83 (s),5.21 (s)NHNH9.96 (s)脯氨酸Ⅰ ProlineⅠ (ProⅠ)1170.3C2-H,C3-H2,Dhb-NH260.6C2-H4.22 (t,8)C3-H2C3-H2,C5-H2329.5C3-H21.74 (m),2.18 (m)C2-H,C4-H2C2-H,C5-H2424.7C4-H21.68 (m)C3-H2,C5-H2C2-H,C5-H2548.3C5-H22.61 (m),3.13 (m)C4-H2C3-H2,C5-H2脱氢α-氨基丁酸 Dehydrobutyrine (Dhb)1163.2C3-H,C4-H3,NH,Ile-C2-H,Ile-NH2129.5C3-H,C4-H33131.1C3-H6.59 (q,7)C4-H3C4-H3,NH413.0C4-H31.65 (d,7)C3-HNH8.99 (s)异亮氨酸 Isoleucine (Ile)1169.7C2-H,C3-H254.7C2-H4.35 (t,9)C3-H,NHNH336.0C3-H1.81 (m)C2-H,C4-H2,C6-H3C2-H,NH424.1C4-H20.96 (m),1.48 (m)C3-H,C5-H3C2-H510.6C5-H30.73 (t,7)C4-H2614.6C6-H30.86 (d,7)C3-H,NHC2-HNH7.25 (over-lapped sig)C2-H脯氨酸Ⅱ Proline Ⅱ (Pro Ⅱ)1173.3C2-H,C3-H2258.6C2-H4.19 (dd,5,8)C3-H2C3-H,C4-H,C5-H328.8C3-H21.81 (m),2.10 (m)C2-H,C4-H2C2-H,C4-H,C5-H424.5C4-H21.88 (m)C3-H2,C5-H2C2-H,C5-H546.7C5-H23.55 (m),3.86 (m)C4-H2C2-H,C3-H,C4-H
*J:偶合常数; s:单峰;d:双重峰;t:三重峰;q:四重峰;dd:双重双重峰;m:多重峰。J:Coupling constants. s:Singlet ;d:Doublet; t:Triplet; q:Quartet; dd:Doublet of doublets; m:Multiplet.
A.Lxm-N-六肽结构及关键NMR信号 Structure of Lxm-N-hexapeptide and key NMR signals; B:Lxm-N-六肽的高分辨图谱 High resolution map of Lxm-N-hexapeptide; C:Lxm-N-六肽的二级质谱数据 MS-MS data of Lxm-N-hexapeptide.
图4 Lxm-N-六肽的结构鉴定
Fig.4 Structure elucidation of Lxm-N-hexapeptide
采用革兰氏阳性菌株金黄色葡萄球菌、蕈状芽孢杆菌、耻垢分支杆菌和革兰氏阴性大肠杆菌做指示菌,将化合物溶于甲醇中,分别用滤纸片和牛津杯进行生测实验,化合物最高使用量达100 μg,都没有检测到抑菌活性。暗示雷可肽中起抗菌活性的药效基团可能在该Lxm-N-六肽之外的部分。
另外,在化合物分离过程中,也曾检测到雷可肽色谱峰之外的活性组分,但是由于其含量极少,没有成功分离到该活性组分。
本研究通过异源表达、基因敲除证实链霉菌Sgt26菌株来源的lxm2同源基因簇负责雷可肽的生物合成。同时还发现和鉴定了1个多重修饰的新结构小分子六肽,其序列与雷可肽的N端六氨基酸序列一致。
雷可肽具有典型羊毛硫抗生素结构特点[13],根据羊毛硫抗生素的合成机制[7,20],雷可肽应该是在翻译后再经过脱水、环化和Phe的N-甲基化等后修饰而形成的。Lxm-N-六肽的结构中也含有甲基化和氨基酸脱水修饰,因此,推测它是成熟的雷可肽在某种蛋白酶作用下的水解产物。在雷可肽合成相关的同源基因簇lxm2中有2个基因编码蛋白酶,推测2个基因产物组成蛋白酶复合物,负责前导肽的切割。根据功能预测,这个蛋白酶复合物没有负责脯氨酸末端水解的功能,所以Lxm-N-六肽的释放可能跟这个蛋白酶复合物的功能无关,可能是菌体内其他的某种蛋白酶对雷可肽水解而形成的,当然,该推论还需进一步的实验验证。
Lxm-N-六肽的发现具有重要意义。一方面,Lxm-N-六肽结构的鉴定有利于其合成相关基因的研究,负责Dha、Dhb和Lan合成的基因功能的阐明将有助于雷可肽的生物合成机制的进一步解析。另一方面,Lxm-N-六肽的获得为后续研究提供了一个有价值的线索,雷可肽虽然抑菌效果很好,但分子质量过大,这种肽类化合物在进入人体循环系统后很容易被免疫系统当作抗原物质受到排斥进而引起抗原反应,可能很难成为系统性抗感染药物;Lxm-N-六肽没有显示出任何生物活性,表明雷可肽发挥其药效活性可能不需要N端的六肽部分,基于此,可以对雷可肽的N端氨基酸进行删减并检测这些衍生物的抗菌活性,如果可以通过基因改造[21-22]或寻找一个合适的蛋白水解酶,得到1个分子质量较小且有抑菌活性的雷可肽结构类似物,那么这种化合物会有更好的应用前景,将为羊毛硫肽类抗生素的研发提供更广阔的发展空间。
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