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Current research status and perspectives on kasugamycin

春雷霉素的研究现状及展望



全 文 :第 14卷第 4期
2016年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 14 No􀆰 4
Jul. 2016
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2016􀆰 04􀆰 014
收稿日期:2015-08-07
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB72100)
作者简介:汪  桂(1990—),女,江苏沛县人,研究方向:天然药物及其生物合成;苏二正(联系人),副教授,E⁃mail:ezhsu@ njfu.edu.cn;陈文青
(联系人),副教授,E⁃mail:wqchen@ whu.edu.cn
春雷霉素的研究现状及展望
汪  桂1,2,吴  蕴2,袁子雨2,邓子新2,苏二正1,陈文青2
(1. 南京林业大学 轻工科学与工程学院 酶与发酵技术实验室,江苏 南京 210037;
2. 武汉大学 药学院 组合生物合成与新药发现教育部重点实验室,湖北 武汉 430072)
摘  要:春雷霉素(Kasugamycin)为氨基糖苷类抗生素,由春日链霉菌和小金色链霉菌产生,由于其具有显著的抗
植物病原真菌活性,故自创制成功便在农业上广泛使用。 本文从化学结构、理化性质、作用机制及其生物合成途径
等方面综述了近年来春雷霉素研究所取得的进展,期望为今后深入解析春雷霉素生物合成机制奠定坚实的理论
基础。
关键词:春雷霉素;化学结构;作用机制;生物合成途径
中图分类号:Q781        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)04-0070-05
Current research status and perspectives on kasugamycin
WANG Gui1,2,WU Yun2,YUAN Ziyu2,DENG Zixin2,SU Erzheng1,CHEN Wenqing2
(1. Enzyme and Fermentation Technology Laboratory,College of Light Industry Science and Engineering, Nanjing Forestry University,
Nanjing 210037,China;2. Ministry of Education Laboratory of Combinatorial Biosynthesis and Drug Discovery,
School of Pharmaceutical Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)
Abstract:Kasugamycin, an aminoglycoside antibiotic produced either by Streptomyces kasugaensis or
Streptomyces microaureus,displays potent bioactivity against phytopathogenic fungi.It is used extensively
in agriculture since its discovery.In this review,we discussed the recent progress on kasugamycin studies
including chemical structure,physical⁃chemical features,action mode and biosynthetic pathway.We hope
that it could set the solid foundation for further dissection of the mechanisms for kasugamycin
biosynthesis.
Keywords:kasugamycin;chemical structure; action mode; biosynthetic pathway
    春雷霉素 ( kasugamycin ) 由春日 链 霉 菌
(Streptomyces kasugaensis)所产生,属氨基糖苷类抗
生素,于 1964年 4月从日本奈良县春日神社境内发
现,故又名春日霉素[1]。 我国于 1964年从江西土良
地区也分离到一株春雷霉素产生菌,与日本菌株在
碳源利用和各种培养基上培养特征有很多不同之
处,故命名为小金色链霉菌(S. microaureus ) [2]。
春雷霉素自研发以来,其在亚洲和南美洲就被
广泛应用于农业[3]。 它对水稻稻瘟病(包括叶瘟、
稻头瘟、谷瘟)等的防治尤为显著,一般可达到 80%
以上。 不仅如此,春雷霉素的适用作物还包括马铃
薯、黄瓜、芹菜、高粱、辣椒、菜豆、柑橘等,可防治甜
菜上的甜菜生尾孢、马铃薯上的胡萝卜软鸥文氏
菌、菜豆上的栖菜豆假单孢菌、黄瓜上的流泪假单
孢菌、番茄叶霉病、黄瓜细菌性角斑病等[4]。
值得一提的是,因春雷霉素对人畜无毒、无残
留、无污染,符合现代环保要求,被中国绿色食品发
展中心推荐为 AA 级绿色食品生产资料,被农业部
列为无公害农产品生产推荐农药,被上海市列为蔬
菜标准化工程首推杀菌剂。 2000 年 11 月在泰国曼
谷“21世纪农牧业科技成果博览会”上,延边春雷药
业有限公司生产的春雷霉素荣获优秀产品金像奖,
该公司春雷霉素的产品销量逐年大幅增加,国内除
西藏、台湾以外的 29 个省、市、自治区均有销售,部
分销往越南、泰国、马来西亚、日本、韩国等地区和
国家。 随着人们对农药安全意识的提高,春雷霉素
高效、广谱、无公害的生物特性展示了越来越广泛
的市场前景。 了解春雷霉素的相关特性及生物合
成将有助于春雷霉素工业化产量的提高,本文从化
学结构、理化性质、作用机制及其生物合成途径等
方面综述了近年来春雷霉素研究所取得的进展,期
望为今后深入解析春雷霉素生物合成机制奠定坚
实的理论基础。
1  春雷霉素的结构和理化性质
1􀆰 1  春雷霉素的结构
春雷霉素,又称为[5 氨基 2 甲基 6 (2,3,
4,5,6 羟基环己基氧代)四氢吡喃 3 基]氨基 Α
亚氨醋酸,化学物质登录名 CAS 号为 6980 18
3,分子式 C14H25N3O9。 春雷霉素的结构由二碳侧链
(two⁃carbon side chain)、春雷胺(kasugamine)、D 肌
醇(D⁃inositol)三部分组成[5](图 1)。
A—二碳侧链;B—春雷胺;C—D 肌醇
图 1  春雷霉素的化学结构
Fig􀆰 1  Chemical structure of kasugamycin
春雷霉素属于氨基糖苷类抗生素,此类抗生素
在治疗感染性疾病尤其是革兰氏阴性菌引起的严
重感染方面起着重要的作用[6]。 氨基糖苷类化合
物结构上有着明显的相似,都具有氨基环醇核心,
Kudo等[7]曾对多个数据库中的氨基糖苷类化合物
进行划分,一种为 2 脱氧链霉胺类的氨基糖苷类抗
生素,典型抗生素代表有卡那霉素、阿泊拉霉素、庆
大霉素等,另一种为肌醇衍生物氨基环醇类氨基糖
苷类抗生素,即包括春雷霉素、链霉素等。
1􀆰 2  春雷霉素的理化性质
春雷霉素是一种由微生物发酵产生的次级代
谢产物,纯品在有机溶剂中难溶,在 25 ℃水中溶解
125 g / L;盐酸盐在水中的溶解度很高,但不溶于甲
醇、乙醇、乙酸乙酯、三氯甲烷、苯及石油醚等有机
溶剂[8]。 因此,当在春雷霉素的水溶液中加入能与
水混溶的有机溶剂时,春雷霉素就会沉淀析出。 春
雷霉素呈弱碱性,它的盐酸盐为白色结晶,熔点:
236~239 ℃ (分解),盐酸盐:202 ~ 204 ℃ (分解)。
它的稳定性受环境酸碱度的影响很大,一般在酸性
条件(pH 5􀆰 0以下)中较稳定[9],所以春雷霉素不宜
与强碱性农药混用。
用春雷霉素防治稻瘟病,即使喷 300 mg / L 的高
浓度,对水稻等植物都未见药害;对人、畜、禽、鱼、虾
的急性毒性较低,小白鼠口服 LD50为 2 g / kg 体质量,
在水中含有 1 g / L抗生素时,鱼类无中毒反应[10]。
2  春雷霉素作用机制
抗生素的作用机制种类很多,其可定向结合翻
译过程中的不同部分,如抑制翻译起始、tRNA 结合
核糖体、也可直接竞争性结合 rRNA 或核糖体蛋白
来抑制蛋白质合成;其中氨基糖苷类抗生素在抑制
蛋白合成时会引起编码错误[11],而春雷霉素则不会
如此。 关于春雷霉素的作用机制,早期研究显示,
春雷霉素与大肠杆菌核糖体的 30S 小亚基结合,作
用于小亚基亚单位的 16S rRNA 解码区的 A 部位,
从而特异性抑制了氨酰 tRNA 结合 mRNA 核糖体
蛋白复合体,进而阻止蛋白质翻译的起始 (图
2) [12-15]。 Schuwirth等[14]通过精细的结构生物学研
究,得到了大肠杆菌 70S 核糖体与春雷霉素的晶体
结构复合物,也进一步精确地揭示春雷霉素的结合
位点位于 30S 核糖体亚基中 mRNA 的进入通道。
比较有趣的是,由于春雷霉素对植物病原真菌也展
现出类似的作用机制,即亦能与其核糖体小亚基结
合,因此可说明春雷霉素对细菌和植物致病真菌皆
表现出强烈的生物活性[14,16]。
17  第 4期 汪  桂等:春雷霉素的研究现状及展望
图 2  春雷霉素的作用机制
Fig􀆰 2  Mechanism diagram of kasugamycin
3  春雷霉素的生物合成研究进展
3􀆰 1  春雷霉素合成基因簇
关于春雷霉素的生物合成研究,Kiyoshi 等[17]
利用经典遗传学方法,率先从春雷霉素产生菌中克
隆到春雷霉素抗性基因 kac273(kacH或 kacH1);之
后,Ikeno 等[18]利用该基因为探针从春日链霉菌
M338 M1中克隆到一个 7􀆰 6 kb 的片段,序列分析
显示该片段含有 9个与春雷霉素生物合成相关的基
因,其中部分基因负责春雷胺的合成。
随后 Ikeno等[19]又陆续克隆并测序了 4个与春
雷霉素生物合成相关的片段,其中 KasK、 KasL、
KasM三者与 ABC 转运蛋白的同源性很高,将含有
这 3 个基因的 DNA 片段通过载体导入到大肠杆菌
JM109,后者获得春雷霉素抗性,说明在春雷霉素产
生过程中通过 KasK、KasL和 KasM转运复合体将化
合物转运至细胞外,属于春雷霉素自我抗性机制的
一种,保护产生菌免受自身代谢毒性;同时 Ikeno
等[20]发现的还有起着调控蛋白作用的 kasT 基因,
KasT 分别与链霉素基因簇里面的 StrR ( 50%
identity)、壮观霉素基因簇的 SpcR(44% identity)同
源性很高;另外,凝胶阻滞实验验证了 KasT 可以和
春雷霉素基因簇中的几个可能的启动子结合,是一
种 DNA结合蛋白,Ikeno此次获得了包含 20 个基因
在内的 22􀆰 4 kb DNA区域,并绘制相关生物合成基
因簇(图 3)。
图 3  春雷霉素部分生物合成基因簇
Fig􀆰 3  Partial biosynthetic gene cluster of kasugamycin
3􀆰 2  春雷霉素生物合成途径
有关春雷霉素的生物合成途径,早期同位素喂
养实验证实其结构中春雷胺单元来源于葡萄糖
胺[5],而二碳侧链及 D 肌醇两个单元的合成前体
分别为 L 甘氨酸和肌醇(myo⁃inositol) [21-22]。 在此
基础上,Flatt等[23-24]又根据生物合成基因簇的研究
及生物信息学分析,粗略推断了春雷霉素的生物合
成途径(图 4)。 与此同时,Jo 等[11]以 kasA 为探针
27 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
从构建的 Fosmid基因组文库中克隆出 22 kb与春雷
霉素生物合成相关的 DNA 区域,其中含有 17 个完
整的春雷霉素生物合成基因,而 kasD则有助于研究
春雷霉素合成的前体物质;然而此后春雷霉素的生
物合成研究却陷于停滞状态[15]。
图 4  推断的春雷霉素生物合成途径
Fig􀆰 4  Proposed pathway to kasugamycin biosynthesis
    根据图 4春雷霉素可能的生物合成途径,笔者
进行了一定的分析,通过 C 2 位的转氨作用,葡萄
糖 1 磷酸和 UDP 结合,催化这一步的基因在目前
的生物合成基因簇中不存在,推测其可能位于 kasI
基因的下游;而 kasF具有编码 N 乙酰转移酶蛋白
的功能,在春雷霉素的生物合成中可能负责 C 2
位的氨基乙酰化。
3􀆰 3  春雷霉素产量的研究
Hotta等[25]研究发现,春雷霉素产生菌的无细
胞提取液可以催化阿贝卡星( arbekacin)形成 2,
N 乙酰阿贝卡星和 2’,6’ 二 N 乙酰阿贝卡星,
而阿贝卡星亦是氨基糖苷类抗生素,对氨基糖苷类
抗生素耐药菌有强抗菌活性,且对临床上缺少有效
治疗药物的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)抗
菌活力强;Kim 等[26]研究发现,通过改变并控制春
雷霉素发酵过程中的 pH可以有效提高春雷霉素产
量;随后,Kim等[27]采用固定化细胞培养技术,使春
雷霉素的连续发酵时间持续 820 h,高产春雷霉素可
达到 9􀆰 8 mg / (L·h)到 16􀆰 1 mg / (L·h)的生产范围,
是非固定化技术的 14 倍到 23 倍;Cho 等[28]通过紫
外诱导原生质体获得耐亚油酸培养基的突变株SK
12,发现在发酵 6 d 后春雷霉素产量可达到 1􀆰 2
g / L,产量高于未突变亲本的 5倍。
而笔者所在武汉大学药学院组合生物合成与
新药发现教育部重点实验室的研究小组在前期研
究中,以 pJTU2463 为出发载体,已成功构建成春雷
霉素工业菌株小金色链霉菌基因组文库,并从中克
隆出 7 个阳性 Cosmid。 Zhu 等[29]曾通过基因调控
来改变春雷霉素产量,在春雷霉素低产菌株中对正
调控基因 kasT 进行过量表达,产量从 0􀆰 7 g / L 提高
37  第 4期 汪  桂等:春雷霉素的研究现状及展望
至 2􀆰 2 g / L;对负调控基因 kasW、kasX、kasV 和 kasS
进行基因中断,发现最终春雷霉素的产量都有不同
程度的提高,其中在文库 Cosmid 10E9 基础上敲除
kasV后,产量从 0􀆰 68 g / L提高到 2􀆰 0 g / L,但在春雷
霉素高产菌株中实验并没有得到预期的结果。 推
测因为多发性诱变,高产菌株中的核苷酸发生大量
变异而导致这种差异,这也表明在研究过程中,应
该根据实际情况采取不同的策略来进行调控操作,
必要时还需结合其他代谢相关工程技术。 在此基
础上,通过定向改造目标基因,同时结合代谢工程
策略,优化代谢流,以定向强化春雷霉素的生物合
成效率,提高春雷霉素的产量,进而构建成春雷霉
素高产工业菌株,以提升国内春雷霉素产业的技术
水平。
4  意义及展望
作为重要的绿色农用抗生素,春雷霉素应用广
泛,生物活性显著(尤其对稻瘟病防治有特效),研
究春雷霉素的生物合成机制及相关生化反应步骤,
将有助于深入揭示春雷霉素产生的分子机制,同时
也可以丰富现有的酶学和天然产物化学知识。 再
者,若可解析相关途径和鉴定春雷霉素生物合成中
的限速反应步骤,可以为工业菌株中春雷霉素产量
的定向提高奠定理论基础与实践依据,同时对提升
我国春雷霉素产业化技术水平、增强国际竞争力也
具有一定的积极作用,高效、广谱、无残留并对人畜
无害的春雷霉素势必在农业市场上拥有广阔前景。
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(责任编辑  荀志金)
􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌
(上接第 32页)
菌生长代谢与甘油浓度呈先上升后下降的关系,50
g / L 的甘油产维生素 K2 效果最佳,其产量达到
15􀆰 8 mg / L。 纳豆菌生物量与氮源浓度呈反比,而代
谢产物维生素 K2 却与氮源浓度呈正比。 此外,在
最适氮碳源含量条件下,维生素 K2 的存在形式是
一部分以水溶性的形式分泌到细胞外,分泌率约
68􀆰 8%,而另一部分仍然结合在膜上作为电子传递
链的辅酶。 本研究为实现维生素 K2 的高效优质合
成奠定基础。
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(责任编辑  管珺)
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