全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 3期
2005年 6月
Vol. 17, No. 3
Jun., 2005
南昌链霉菌代谢产物与代谢工程研究现状的
回顾与展望
孙宇辉1,2，周秀芬1，涂国全2，邓子新1*
（1 上海交通大学 Bio-X生命科学研究中心，生命科学技术学院，上海 200030；
2江西农业大学生物工程系，南昌 330045）
摘　要：南昌链霉菌是从江西农业大学校园油茶根际土壤中分离筛选到的一株链霉菌新种，它至少可
以产生两种具有重要应用和基础研究价值的抗生素——南昌霉素和梅岭霉素。在国家自然科学基金、国
家科技攻关计划、上海市科委的资助下，对这一链霉菌新种进行了多年全面系统的研究，本文对此进
行了全面的回顾，并对后续研究进行展望。
关键词：南昌链霉菌；南昌霉素；梅岭霉素；南寡霉素
中图分类号：Q 93 5　　文献标识码：A
Overview and prospect on the study of secondary metabolites and
metabolic engineering of Streptomyces nanchangensis
SUN Yu-Hui1,2, ZHOU Xiu-Fen1, TU Guo-Quan2, DENG Zi-Xin1*
(1 Bio-X Life Science Research Center, School of Life Science & Biotechnology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai
200030, China; 2 Department of Bioengineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)
Abstract: Streptomyces nanchangensis is a new species that was isolated from the rhizosphere soil of a tea plant,
Thea oleosa, in Jiangxi Agricultural University. At least two of the compounds, polyether nanchangmycin and
16-membered macrolide meilingmycin, have been characterized as insecticidal antibiotics. In this review, the
present status and prospect on the study of the secondary metabolites and metabolic engineering by the
genetic manipulation of the antibiotic biosynthetic genes in S. nanchangensis will be presented.
Key words: Streptomyces nanchangensis; nanchangmycin; meilingmycin; nanligomycin
1　南昌链霉菌的发现与菌种鉴定
南昌链霉菌是1978年由江西农业大学微生物学
教研室欧阳谅等以家蚕为筛选模型从校园油茶根际
土壤中分离筛选到的一株链霉菌新种[1]。在发现初
期，涂国全等对其形态特征、生理生化特征、细
胞壁化学成分、DNA中G+C含量以及发酵产物杀虫
谱和抑菌谱开展了大量广泛而细致的研究工作[2~4]，
文章编号 ：1004-0374(2005)03-0207-04
收稿日期：2004-11-12
基金项目：国家“973”项目(2003CB114205)资助
作者简介：孙宇辉( 1 9 6 7 —)，男，博士，副教授；周秀芬( 1 9 6 0 —)，女，博士，教授；涂国全( 1 9 4 7 —)，男，
硕士，教授；邓子新 ( 1 9 5 7 — )，男，博士，教授，* 通讯作者。
经测试对蚜虫、红蜘蛛、菜青虫、松毛虫、扁剌
蛾等多种农林害虫有杀灭作用[2]。经鉴定该菌株为
一链霉菌新种，因为菌株原发现地江西农业大学地
处江西省省会南昌，由此命名为南昌链霉菌
(Streptomyces nanchangensis n. sp. Yan et Ouyang)。
2　南昌霉素和梅岭霉素的结构确定与生物活性
为了了解南昌链霉菌所产生的具有抑菌和杀虫
208 生命科学 第17卷
活性物质的化学本质，高勇生等对发酵产物进行了分
离纯化，并对其中最为主要的两个组分进行了结构确
定，其中之一为南昌霉素(nanchangmycin)，属酸性
酯溶性聚醚类抗生素[2,5]。该抗生素对革兰氏阳性细
菌的抑制作用较强，对革兰氏阴性细菌和真菌的作
用较弱，还有很强的抗球虫活性。经多年多点药效
试验证明，南昌霉素发酵制剂作为饲料添加剂用于
防治蛋鸡和肉鸡的球虫病疗效非常显著，抗球虫指
数优于进口的盐霉素和莫能霉素，且有提高日增重
的效果。毒性和三致试验结果表明该制剂安全、无
副作用，是理想的抗球虫药[2]; 经化学结构鉴定的另
一杀虫活性物质是梅岭霉素(meilingmycin)，它属十
六元大环内酯类抗生素，与阿维菌素(avermectin)母
核一致，但侧链不同[2,5]。用梅岭霉素粗提纯物配
成溶液对30多种昆虫和螨类进行了试验，试验证明
它有广谱杀虫特性，对线虫的作用也很强[2]，其化
学结构与阿维菌素 8个组分类似。经HPLC结合生
物活性分析，梅岭霉素同样含有 8个或 8个以上组
分，对其余各组分的结构鉴定工作仍在进行之中。
3　南昌链霉菌基因克隆系统的建立
南昌链霉菌野生型菌株产抗生素，尤其是梅岭
霉素的产量很低，采用常规的理化诱变、原生质体
融合和脂酶活性筛选等方法对其进行了一系列的菌
种选育，同时结合摇瓶发酵条件的筛选和优化，效
价与出发菌株相比虽获得了较大程度的提高，但还
未能完全满足产业化的要求[6~8]。现代分子生物学和
生物信息学技术的迅速发展，特别是聚酮生物合成
程控的分子机理和特征的阐明[9~10]，为抗生素产量
的提高与抗生素品种的创新带来了契机。
对一个完全崭新的微生物菌种，试图从分子水
平上揭示和阐明南昌霉素或梅岭霉素的生物合成机
理，必须对其遗传背景有一个全面系统的了解。由
于南昌链霉菌对外源 DNA存在强烈的限制性，虽
然尝试使用不同类型和来源的质粒，转化系统都未
能建立。链霉菌噬菌体 ϕC31及其衍生载体能够感
染南昌链霉菌并形成溶源。含有 ϕC31特异性整合
位点 attP的质粒 pSET152也可以通过接合转移，以
较高的频率整合在南昌链霉菌染色体的 attB位点
上。此外，我们自行构建的大肠杆菌 -链霉菌双功
能穿梭质粒pHZ1358同样也可以通过接合转移进入
南昌链霉菌[11]。这一基因克隆系统的建立，为在南
昌链霉菌中进行基因功能研究奠定了基础。
pHZ1358及其衍生的系列载体在其他链霉菌中也得
到了重要的应用，并获得了国际同行的广泛索取和
成功应用。
4　南昌链霉菌中聚酮合酶(PKS)生物合成基因簇
研究表明，参与抗生素生物合成的基因往往成
簇排列而且紧密连锁，而且，同类抗生素之间生物
合成途径存在极大的相似性，这一认识作为抗生素
生物合成基因的克隆策略之一已得到广泛的证实和
运用。前期研究结果显示，南昌链霉菌至少可产生
两种抗生素：梅岭霉素和南昌霉素[2]，其结构表明,
这两类抗生素均属聚酮化合物。因此，我们采用异
源探针法，用一包含糖多孢红霉菌 I型 PKS基因簇
中 4个不同结构域的DNA片段为探针，从南昌链霉
菌总DNA基因文库中钓出了90个阳性科斯质粒，经
染色体步移，将其中 76个分别归属于 8个独立的重
叠群(contig A~H)[11]。
在一个菌株中鉴别和分离出多个PKS基因簇将
为研究同一生物体内多个 PKS基因簇之间的“交叉
对话”提供理想的候选材料，这些基因材料及其基
因功能多样性的累积，构成了通过组合生物合成高
产和创新微生物药物的宝贵基因资源库。
5 南昌霉素生物合成基因簇
通过对 contig A的基因置换以及对获得的基因
置换突变株所进行的产物检测，证实 contig A区域
包含了南昌霉素生物合成基因簇[11]。为了从DNA水
平了解参与南昌霉素生物合成的各基因或结构域的
组成和特征，以及为在此基础上开展组合生物合成
研究，对 contig A所包含的整个区域进行了核苷酸
序列测定。通过对核苷酸序列所进行的ORF分析和
同源性比较，揭示出整个南昌霉素生物合成基因簇
共包含 30个ORF，其中 11个ORF用于编码聚酮合
酶，它包含 14 个模块，共有 74 个结构域，负责
催化南昌霉素糖苷配基的生物合成。另有 4个ORF
编码可能参与南昌霉素生物合成修饰的蛋白，如负
责催化糖苷配基的氧化、异构化和聚醚结构的形成
等。还有 6个ORF负责编码参与南昌霉素生物合成
中糖基的合成及转移的蛋白。此外，在基因簇的两
侧还存在着两组共 9个潜在的调节基因，它们可能
参与南昌霉素生物合成的调控[12]。通过生物信息学
分析结合功能研究，我们提出了国际上首例聚醚类
离子载体抗生素——南昌霉素生物合成基因簇的结构
组成、聚酮合酶上聚醚链形成和释放的机制以及整
个抗生素生物合成的模型，这些发现将大大拓展我
们对这类重要抗生素合成机理的认识，加强我们对
209第3期 孙宇辉，等：南昌链霉菌代谢产物与代谢工程研究现状的回顾与展望
众多聚酮化合物生物合成相互转化和结构后修饰的
能力。目前一些更为深入研究工作正在进行之中。
6　梅岭霉素生物合成基因簇
梅岭霉素的结构类似物阿维菌素是目前世界上
有关生物合成基因簇研究的最为深入的抗生素之
一，特别是在利用基因工程进行抗生素的人工改造
方面已有了许多成功的范例[13~15]。1999年，日本
北里大学和北里研究所的 Ikeda等[16]将 S. avermitilis
中阿维菌素生物合成基因簇进行了序列测定并提交
GenBank，这无疑为梅岭霉素生物合成基因簇的定
位和后续研究提供了良好的模板和参照。
通过比较梅岭霉素和阿维菌素化学结构中相同
的部分，推测催化它们形成的酶应该也是相同的。
由 PCR定向扩增出该基因并以之为探针进行 South-
ern杂交以及基因置换实验，成功地定位了梅岭霉
素生物合成基因簇所在 contig[17]，然后对它也进行
了核苷酸序列测定。经过生物信息学分析以及与阿
维菌素生物合成基因簇的比较，首先，初步揭示这
两个在化学结构和生物学活性等方面极其相似的抗
生素在基因簇的组成上却有着出人意外的差异，特
别是参与糖苷配基生物合成的ORF在位置和方向上
都差距甚远；其次，负责生物合成后修饰的 ORF
也有着明显的差别。这些差异为我们进行聚酮合酶
合成机理的研究以及梅岭霉素/阿维菌素的杂合带来
了新的机遇和挑战。
7　南寡霉素生物合成基因簇
在南昌链霉菌前期的研究工作中，南昌霉素和
梅岭霉素这两个组分由于其相对较高的含量和重要
的应用价值而首先被分离并鉴定了化学结构[2,5]。在
此基础上，孙宇辉等通过遗传学和化学途径确定了
这两个重要抗生素的生物合成基因簇并进行了序列
测定，初步阐明了它们的生物合成途径[11~12,17]。经
异源探针杂交已了解到在南昌链霉菌中存在 8 个
PKS同源基因簇，除了上述阐明的南昌霉素和梅岭
霉素基因簇外，对其余 6个基因簇的功能还一无所
知，但推测它们可能也编码某抗生素或次生代谢产
物。尽管对其化学结构和生物学活性还完全未知，
但生物信息学也许可以从另一个角度来揭示这些
PKS基因簇的功能。选取 contig B中 4个前后重叠
的科斯质粒进行序列测定，通过生物信息学分析，
共揭示 19个可能的ORF，其中 11个ORF在所有比
较的同源基因中与S. avermitilis中的寡霉素(oligomycin)
生物合成基因簇所对应的ORF有着最高的同源性，
而且在 ORF的大小和排列上都极其相似，这暗示
contig B所包含的基因簇很可能是寡霉素或相似结构
的生物合成基因簇。由此，我们将该基因簇命名为
南寡霉素(nanligomycin)生物合成基因簇。在本研究
中，我们首次采用反向遗传学手段，即从生物信息
学角度初步阐明了南寡霉素的生物合成途径。但是
南寡霉素和寡霉素在生物合成基因簇上存在的这些
相同和不同点还有待于我们从化学结构上去进一步
证实。在化学结构多样性的天然产物中，聚酮化合
物是当今在结构和功能对应方面研究得最为透彻和
深入的化合物之一，关于 I型 PKS的基因、模块、
结构域的遗传信息如今已变得越来越丰富，这使得
人们通过遗传学和生物信息学方法来了解天然产物
的化学结构成为可能，这无疑为新活性产物的发现
开辟了一条新途径。
8 南昌霉素的组合生物学研究
南昌霉素生物合成基因簇序列的测定为利用基
因工程进行南昌霉素的组合生物合成研究开辟了广
阔的空间，在这个基础上，我们开展了一系列探索
性的工作，如通过对南昌霉素生物合成基因簇模块
6中酮基还原酶结构域(KR6)的同框缺失，成功地获
得了预期的“非天然的”基因工程新化合物——脱
糖南昌霉素[12]，这不仅证明了整个生物合成模型的
正确性，还使基因功能定向敲除产生新抗生素药物
的合理设想通过组合生物合成的新手段变成了现
实；通过对 CR结构域与 S. avermitilis TE结构域的
同框置换进行“大环内酯 -聚醚”杂合抗生素的创
新尝试等。此类研究所形成的工程化菌株和新结构
化合物构成了新专利的基础，为利用基因工程技术
来提高抗生素产量和创新药物提供了模型系统。
9　展望
自世界上第一例抗生素——青霉素被发现并广
泛应用以来，抗生素的筛选工作从未间断，而且富
有成效，但是，微生物耐药性的不断出现以及受自
然界“递减规律”的影响，随着天然来源的次级
代谢产物的不断挖掘，可培养的土著微生物来源的
新的有用抗生素越来越难以被发现。现代生物技术
的涌现为这一领域焕发了新的活力，特别是近年来
以链霉菌聚酮合酶为先导和模式发展起来的组合生
物合成，使之能更为有的放矢地利用抗生素基因簇
资源，通过人工设计抗生素生物合成途径来主动性
地高产或创新微生物药物[18~20]。
南昌链霉菌中聚醚(南昌霉素)和大环内酯类抗
210 生命科学 第17卷
生素(梅岭霉素和南寡霉素)基因簇中聚酮生物合成编
控的分子机理和特征的阐明，利用模块或结构域增
加、减少、替换等多种组合生物学手段设计和改造
基因簇，形成一系列非天然的天然性化合物，在药
物创新方面将有可能取得一系列突破，这种突破既
可能有基础理论的价值，也具有潜在的应用前景。
此外，研究中某一未知产物PKS基因簇(contig C)的
阻断却导致南昌霉素抑菌活性的增强被发现，给了
我们一个意外的启示：希望在了解同一生物体内多
个 PKS基因簇之间“交叉对话”的基础上，通过
阻断其余 PKS基因簇，以减少底物和能量的竞争，
而人为实现某一特定抗生素的产量的提高，其新颖
之处在于它在抗生素产生菌的遗传育种方面，有可
能超越常规，从另一角度去探索抗生素品种与生产
能力的改良。
[参　考　文　献]
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SARS研究论文产生重要影响
2003年SARS爆发期间，中科院上海生命科学研究院药物研究所药物发现与设计中心和上海生命科学
研究院生物信息中心的研究人员及学生，在蒋华良、沈建华、沈旭和李亦学的带领下，开展了 SARS重
要蛋白结构与功能以及抗 SARS药物设计的研究。其中，有关 SARS病毒蛋白水解酶三维结构模拟和抗
SARS药物虚拟筛选的结果发表在《中国药理学报》(Acta Pharmacol Sin)(2003, 24(6): 497~504)上，两年
来已经被他人引用了 2 2 次，在同行中产生了广泛影响。该论文入选了“中国科学院生物类研究所
1999~2004 年年均被引用 4次以上的论文”，更可喜的是，THOMSON 公司根据 Essentia l Science
IndicatorSM引用统计，确定该论文为 2000年以来在本领域中引用频率为前 1%( top-1%)的论文。
摘自 http: //www.sibs.ac.cn