一株具有滑行能力的革蘭氏陰性細菌的遺傳操作體系構建

謝云軒

摘 要：開發全新來源的抗生素菌種資源在當前臨床可用抗生素資源緊缺的情況下具有十分重要的意義。具有滑行能力的捕食細菌擁有豐富的次生代謝資源，是開發新型抗生素的理想菌株。在本研究中，一株從渤海沿岸石油烴污染土壤中分離得到的嗜麥芽窄食單胞菌展示出具有合成豐富代謝物的能力。對該菌株的基因組成分析顯示基因組中存在新穎聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶（PKS-NRPS）基因簇。本研究探討了利用接合轉移方式進行聚酮合成酶基因簇的原位敲除的可行性，發現利用該方法進行基因敲除有約2.5%的概率獲得正確重組子。

關鍵詞：嗜麥芽窄食單胞菌;聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶;生物信息學分析;接合轉移

微生物來源的天然藥物及其衍生物在對抗微生物感染中占據著很大的比例1。微生物在長期進化中保留下來的抗生素具有很強的靶位點特異性和很高的生物活性2。近年來，抗生素的普遍使用在全球范圍內導致一些具有抗生素抗藥性的人類致病菌的產生，給臨床治療帶來了新的挑戰3。而新批準的抗生素大部分具有與原有抗生素相似的骨架結構，極易造成靶向致病菌再次培育完善的抗藥機制以及抗生素的二次失效。較有名的實例包括ceftobiprole、daptomycin、tigecycline這些天然抗生素藥物在對多重抗藥性的金黃色葡萄球菌S.aureus和多重抗藥性的腸球菌Enterococci治療中的逐漸失效4。耐藥型致病菌株的快速傳播，已經導致臨床上出現能對抗多種抗生素的“超級細菌”，給病人帶來致命威脅。而擁有13億人口的中國是世界上濫用抗生素最為嚴重的國家之一，細菌整體耐藥率遠遠高于發達國家。針對耐藥型致病菌株來研發新的抗生素目前變得刻不容緩。然而在全球抗生素資源短缺的同時，很多國際知名的制藥行業在近些年卻逐漸減少研發新型抗生素的投資，造成了抗生素供求關系矛盾的加劇。哈佛大學醫學院著名天然產物學家Christopher T .Walsh教授指出，如果不增加抗生素的研發力度，人類對抗致病菌感染的能力將會迅速退化到抗生素發明之前的水平5。充分挖掘已有的抗生素主要來源菌細胞內的次生代謝物資源、開發全新的抗生素菌種資源迫在眉睫6，7。人們從滑行細菌中分離得到很多生物活性物質，部分顯示出良好的成藥性，進入臨床試用階段。例如具有抗腫瘤活性的curacin A和抗金黃色葡萄球菌活性的TAN-1057A是具有良好開發前景的先導化合物8，9，抗腫瘤化合物epothilone和dolastatin10，11已經進入臨床試驗期。

本文對分離自沿海潮間帶區域嗜麥芽窄食單胞菌進行代謝產物分析測試并進行基因組成分析。通過比較已發表的嗜麥芽窄食單胞菌的基因序列，對代謝物較豐富的嗜麥芽窄食單胞菌P3-15的基因組進行初步分析，獲取新穎聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶（PKS-NRPS）基因簇3個（圖1A，B，C），針對圖1A的基因簇設計引物并通過接合轉移的方法進行基因簇敲除。本研究建立了嗜麥芽窄食單胞菌遺傳操作體系，并成功地對一新穎聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶進行基因敲除。研究證實嗜麥芽窄食單胞菌具有基因敲除可操作性，能夠通過基因修飾獲取新穎代謝產物。

實驗方法：

1.采集渤海沿岸石油烴污染土壤（5厘米深度），以無菌蒸餾水清洗土壤并在1.5%幾丁質的瓊脂糖平板上進行篩選，將單克隆轉移至LB（含氨芐霉素、卡那霉素）液體培養基內進行富集及進一步篩選。通過堿裂解法提取單克隆總DNA，利用特異性引物進行16SrRNA可變區擴增，通過454測序分析獲取十二株菌株的16SrRNA組成。

2.選取代謝物較豐富的P3-15菌株進行總DNA提取及細菌框架圖的測序分析（凌恩生物），獲取長度4.2Mb的總DNA序列。通過ANTI-SMASH分析獲得新穎聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶（PKS-NRPS）基因簇3個。設計引物（CATTAGCT ACAGCGCGCCGGACC/CAGTTACCGCATCAAGCCCATTAC）進行靶序列PKS1擴增（預期片段大小：815bp）。

3.利用多聚酶鏈式反應（天根生物PCR擴增試劑盒）獲取200ngPKS1靶序列片段。培養大腸桿菌S17-1細胞（200毫升LB液體培養基），提取接合轉移載體pJQ200SK共200ng（圖2）（天根生物質粒提取試劑盒）。采用SpeI及PstI雙酶切載體與PKS1序列（NOVOZYME），純化酶切片段達到50ng/l濃度。用不少于200ngPKS1與100ng載體在16°C連接過夜（12h）。冰上解凍100L大腸桿菌DH5細胞，在解凍的細胞液內加入10l轉化液冰浴30分鐘，隨后42°C熱激90秒。繼續冰浴5分鐘后加入1ml無抗性LB液體培養基，37°C松弛培養60分鐘。在12300rpm轉速下離心1分鐘除去上清，將剩余細胞懸浮于約100l的無抗LB培養基中。將細胞懸浮液平鋪到LB（含100g/ml慶大霉素）固體平板培養基上，37°C生長16-24h（同時用不含PKS1的空白質粒轉化大腸桿菌DH5細胞作為陰性對照）。將有抗性的單克隆轉移至10mlLB（含100g/ml慶大霉素）液體培養基中，37°C生長16-24h。對質粒進行小量制備及PCR驗證（圖1）。

4.對正確的PKS1-pJQ200SK載體進行制備（100mlLB液體培養基），濃縮至200ng/ml。取2 l轉化大腸桿菌S17-1（熱激法），挑取單克隆在10mlLB（含100g/ml慶大霉素）液體培養基內培養至O.D.0.7，取1ml培養液進行接合轉移。同時培養野生P3-15菌株至O.D.0.7，取1ml培養液進行接合轉移。

5.將1mlS17-1及P3-15菌株離心，棄上清。將菌體懸浮于1ml100mg/L的硫酸鎂溶液中，12300rpm離心后棄全部上清。加入1ml硫酸鎂溶液繼續懸浮，再次離心后留約100l硫酸鎂溶液，將細胞懸浮后平鋪于1/10TSA（含100g/ml慶大霉素和25g/ml卡那霉素）固體培養基上，30°C培養4-5天。

6.挑取具有抗性的單克隆在3ml1/10TSB（含100g/ml慶大霉素和25g/ml卡那霉素）培養基中30°C培養4-5天。提取單克隆總DNA并進行PKS1片段的PCR驗證。

實驗結果：

1.P3-15的新穎聚酮合成酶-非核糖體多肽合成酶（PKS-NRPS）的antiSMASH生物信息學分析：

PKS合成基因簇及其他次級代謝產物相關的合成基因簇通常使用antiSMASH軟件進行注釋12。對P3-15的antiSMASH注釋證實其基因組內含有包括Bacteriocin、arylpolyene、未知Nrps等次級代謝產物合成基因簇（圖2）。針對圖2A中酮基合成酶序列設計引物，擴增長度815bp的片段。

2.轉化大腸桿菌S17-1并對轉化子進行基因型鑒定。對鑒定正確的轉化子進行擴大培養，并獲取對數增長期細胞（O.D.0.5-0.6）。同時培養嗜麥芽窄食單胞菌至對數增長期。混合等體積的大腸桿菌S17-1和嗜麥芽窄食單胞菌細胞并涂布平板，采用慶大霉素和卡那霉素進行抗生素篩選。28°C培養2-4天。挑取40個具有雙重抗生素抗性的單克隆進行PCR驗證（918bp）（圖2）。通過抗生素篩選和PCR驗證，#3號克隆的基因組模板擴增產生與預期擴增大小相同的條帶，是正確的重組子。

圖2：接合轉移子的PCR驗證：選取同源重組區域外源的DNA片段作為設計引物的序列參考，對重組子進行基因型的驗證。預期條帶大小：918bp（藍箭頭）。

參考文獻：

1 Newman， D.J.， Cragg， G.M.， 2012. Natural products as sources of new drugs over the 30 years from 1981 to 2010. J. Nat. Prod. 75（3）， 311–335.

2 Koehn， F.E.， Carter， G.T.， 2005. The evolving role of natural products in drug discovery. Nat. Rev. Drug. Discov. 4（3）， 206–220.

3 Woodford， N.， Turton， J.F.， Livermore， D.M.， 2011. Multiresistant Gram-negative bacteria： the role of high-risk clones in the dissemination of antibiotic resistance. FEMS Microbiol. Rev. 35（5）， 736–755.

4 Boucher， H.W.， Talbot， G.H.， Bradley， J.S.， Edwards， J.E.， Gilbert， D.， Rice， L.B.， Scheld，M.， Spellberg， B.， Bartlett， J.， 2009. Bad bugs no drugs： no ESKAPE！ An update from the infectious diseases society of America. Clin. Infect. Dis. 48（1）， 1–12.

5 Walsh， C.T.， Fischbach， M.A.， 2010. Natural products version 2.0： connecting genesto molecules. J. Am. Chem. Soc. 132（8）， 2469–2493.

6 Appelbaum， P.C.， 2012. 2012 and beyond： potential for the start of a second pre-antibiotic era？ J. Antimicrob. Chemother. 67（9）， 2062–2068.

7 Bush， K.， Courvalin， P.， Dantas， G.， Davies， J.， Eisenstein， B.， Huovinen， P.， Jacoby， G.A.， Kishony， R.， Kreiswirth， B.N.， Kutter， E.， Lerner， S.A.， Levy， S.， Lewis， K.， Lomovskaya， O.， Miller， J.H.， Mobashery， S.， Piddock， L.J.， Projan， S.， Thomas， C.M.， Tomasz， A.， Tulkens， P.M.， Walsh， T.R.， Watson， J.D.， Witkowski， J.， Witte， W.， Wright， G.， Yeh， P.， Zgurskaya， H.I.， 2011. Tackling antibiotic resistance. Nat. Rev.Microbiol. 9， 894–896.

8 Verdier-Pinard， P.， Lai， J.， Yoo， H.， Yu， J.，Marquez， B.， Nagle， D.，Nambu， M.， White， J.， Falck， J.， Gerwick， W.， Day， B.， Hamel， E.， 1998. Structure-activity analysis of the interaction of curacin A， the potent colchicine site antimitotic agent， with tubulin and effects of analogs on the growth of MCF-7 breast cancer cells. Mol. Pharmacol. 53（1）， 62-76.

9 Aguilar， N.， Kruger， J.， 2002. Toward a library synthesis of the natural dipeptide antibiotic TAN 1057 A， B. Molecules. 7（6）， 469-474.

10 Larkin， J.， Kaye， S.， 2006. Epothilones in the treatment of cancer. Expert Opin. Invest. Drugs. 15（6），691-702.

11 Simmons， T.， Andrianasolo， E.， McPhail， K.， Flatt， P.， Gerwick， W.， 2005. Marine natural products as anticancer drugs. Mol. Cancer Ther.4（2）， 333-342.

12 Medema M H， Kai B， Cimermancic P， et al. antiSMASH： rapid identification， annotation and analysis of secondary metabolite biosynthesis gene clusters in bacterial and fungal genome sequences. Nucleic Acids Research， 2011， 39（8）：339-46.