A Versatile Transcription–Translation in One Approach for Activation of Cryptic Biosynthetic Gene Clusters

抄写(语言学) 天然产物 基因 计算生物学 药物发现 生物 聚酮 遗传学 生物信息学 生物合成 生物化学 语言学 哲学
作者
Qian Zhang,Jinwei Ren,Weishan Wang,Ji’an Zhai,Jing Yang,Ning Liu,Ying Huang,Yihua Chen,Guohui Pan,Keqiang Fan
出处
期刊:ACS Chemical Biology [American Chemical Society]
卷期号:15 (9): 2551-2557 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acschembio.0c00581
摘要

The ever-growing drug resistance problem worldwide highlights the urgency to discover and develop new drugs. Microbial natural products are a prolific source of drugs. Genome sequencing has revealed a tremendous amount of uncharacterized natural product biosynthetic gene clusters (BGCs) encoded within microbial genomes, most of which are cryptic or express at very low levels under standard culture conditions. Therefore, developing effective strategies to awaken these cryptic BGCs is of great interest for natural product discovery. In this study, we designed and validated a Transcription-Translation in One (TTO) approach for activation of cryptic BGCs. This approach aims to alter the metabolite profiles of target strains by directly overexpressing exogenous rpsL (encoding ribosomal protein S12) and rpoB (encoding RNA polymerase β subunit) genes containing beneficial mutations for natural product production using a plug-and-play plasmid system. As a result, this approach bypasses the tedious screening work and overcomes the false positive problem in the traditional ribosome engineering approach. In this work, the TTO approach was successfully applied to activating cryptic BGCs in three Streptomyces strains, leading to the discovery of two aromatic polyketide antibiotics, piloquinone and homopiloquinone. We further identified a single BGC responsible for the biosynthesis of both piloquinone and homopiloquinone, which features an unusual starter unit incorporation step. This powerful strategy can be further exploited for BGC activation in strains even beyond streptomycetes, thus facilitating natural product discovery research in the future.
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