Nature子刊：基因編輯揭開細菌基因組秘密

　　由美國伊利諾伊大學香檳分校化學和生物分子工程系的趙惠民教授(音譯，Huimin Zhao)帶領的一個研究團隊指出，他們利用一種創新的DNA工程技術，發現了隱藏在細菌基因組中的潛在的、有價值的功能。這項研究成果發表在12月5日的Nature Communications雜志上。

　　每種細菌的基因組中，都含有合成不同化合物的基因。這些化合物包括天然抗生素、抗真菌劑和其它生化藥劑，能幫助細菌抵抗不利的微生物，因此具有很大的醫學應用價值。細菌產生這些化合物所需的酶的編碼基因，經常被歸為一些集群(gene cluster，基因簇)。這些基因能夠編碼在生產一種或幾種產物的生化途徑中共同發揮作用的蛋白。

　　如果一個菌落正在生產一種生物活性化合物(有時稱為天然產物)，科學家們可以將這種產物分離出來，研究它的結構和功能，發現其潛在的作用。通過篩選不同細菌和其它微生物種類產生的化合物，人們已經發現了很多天然產物。

　　然而，到目前為止，所發現的化合物只代表細菌有能力生產的化合物的一小部分。

　　細菌很精通生存之道，它們的基因組就是一套應對各種環境狀況的應變計劃。就像畫家只用當天需要的顏色制定一個調色板，一種細菌只會表達某些基因，合成有助于它在當前環境中茁壯生長的化合物。某種特定情況下不需要的基因簇的常量表達，將是一個很大的浪費。

　　這種能量守恒對細菌大有好處，但是對希望發現新的天然產物的研究人員卻很不利。這是Zhao和同事們開始該項目時，希望能解決的一個挑戰。Zhao說：“細菌基因組序列分析表明，有很多隱藏的或者沉默的生化途徑還沒有被發現，它們需要正確的信號，來開啟整個基因簇的表達。”

　　研究人員利用幾種策略，來“欺騙”細胞激活那些很少用的、“隱藏的”的基因簇，例如在各種惡劣條件下培養細菌，或將一種細菌的一套基因插入到另外一種細菌的基因組中。這些技術包括勞動密集型的反復試驗，而且不能保證會成功。

　　Zhao的團隊，把精力花在改編細胞內的基因表達調控，而不是試圖去操控環境。他們采用Zhao實驗室以前開發的一種基因工程方法(稱為DNA assembler)，將小部分DNA插在一個隱藏的基因簇中的每個基因之間。增加的這部分DNA是啟動子，是幫助調控何時以及有多少鄰近基因表達的專門區域。通過增加正確的啟動子，Zhao和同事們迫使細胞提高基因簇中每個基因的表達。

　　DNA assembler方法在一個單一步驟中連接許多不同的DNA片段的能力，使得Zhao的策略成為可能。以前的基因編輯方法，限制研究人員進行一系列連續性改變，哪怕想在一個很小的基因簇的每個基因上增加一個啟動子，都需要非常多的實驗步驟。相比之下，Zhao說：“事實上，我們能建立整個基因簇，這最終使我們更加靈活，因為我們能增加不同的啟動子，”確保在基因簇中的每個基因都被持續激活。

　　這項研究中，研究人員修改了來自一種土壤細菌——灰色鏈霉菌(Streptomyces griseus)的一個隱藏的基因簇(包含6個基因)。他們在基因簇中的每個基因上增加了一個啟動子，使表達增加，將基因簇插入一種近緣的細菌鏈霉菌(Streptomyces lividans)中，這種細菌在實驗室中更容易生長。

　　由此產生的細菌菌株表達了以前沉默的基因簇中的所有基因，產生了一些以前不知道的化合物。這些化合物屬于一類稱為多環tetramate macrolactams(或PTMs)的天然產物，其中許多具有有用的生物醫學價值。通過檢測丟失6個基因其中一個的菌株所產生的化合物，研究人員能夠發現每個基因所編碼蛋白的功能，從而更好的了解細菌如何合成PTMs。

　　Zhao認為，這項工作是邁向一個更大目標的重要一步：開發一種通用的、自動化的高通量方法，來改造靶標試驗生物中的任何一種生化途徑。“我們需要技術平臺的建立，那么我們就可以繼續在哺乳動物系統、植物細胞和微生物中進行研究。”然而，他的最終目標是發現有用的生化藥劑，“很有可能，一些化合物會變成新藥，這是非常令人興奮的。”(生物通：王英)

　　注：Huimin Zhao(音譯趙惠民)教授，早年畢業于中國科技大學，是生物合成領域的國際著名專家，現任美國伊利諾伊大學香檳分校化學和生物分子工程學系 Centennial講席教授，兼任化學系、生物化學系、生物物理系和生物工程系教授。已在Nature、Science、Angew. Chem.等雜志發表學術論文130余篇。迄今共獲得學術獎勵10余項，包括2010年當選美國AAAS Fellow，2012年當選美國Guggenheim Fellow。擔任學術期刊ACS Synthetic Biology，Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology和Scientific Reports編輯，以及ACS Catalysis副編輯。