枯草芽孢杆菌源抗生素研究进展*

王 强,彭开松,严 兵,屠利民,涂 健,祁克宗

(安徽农业大学动物科技学院,安徽合肥 230036)

枯草芽孢杆菌源抗生素研究进展*

王 强,彭开松,严 兵,屠利民,涂 健,祁克宗*

(安徽农业大学动物科技学院,安徽合肥 230036)

枯草芽孢杆菌为革兰阳性菌,其基因组结构复杂,能产生多种抗生素,主要包括肽类物质和非肽类物质。肽类物质可分为两类,一类由核糖体途径合成,另一类由非核糖体途径合成;非肽类物质包括聚酮化合物、氨基糖和磷脂。论文介绍了已知的枯草芽孢杆菌抗生素的结构和生物合成过程,给出一些抗生素的调控途径。概述了枯草芽孢杆菌抗生素除抗菌活性以外其他的生物学活性,为枯草芽孢杆菌抗生素的研究提供参考。

枯草芽孢杆菌;抗生素;活性;基因

*通讯作者

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是一种嗜热、好氧产芽孢的革兰阳性杆状细菌,其生理特征多样,易分离培养,能产生多种抗生素[1-2],这些抗生素包括肽类抗生素、脂肽类抗生素、磷脂类抗生素、聚酮化合物、氨基糖等[3],它们能克服病原菌对现有抗生素的耐药性问题,其中尤为重要的是具有极高生物工程利用价值的脂肽类和肽类抗生素。如核糖体途径合成的肽类抗生素枯草菌素(Subtilin)、Ericin和Mersacidin等,非核糖体途径合成的脂肽类抗生素表面活性素(surfactin)、伊枯草菌素(iturin)、丰原素(fengycin)等。研究发现,所有编码这些抗生素的基因全长共计350 kb,没有一株细菌拥有所有这些基因,而且其染色体基因中平均只有4%～5%用于抗生素的表达[4]。本文对枯草芽孢杆菌抗生素的结构、生物合成过程、调控途径及特殊的生物学功能做一简要概述。

1 核糖体合成的肽类抗生素

1.1 常见的硫醚抗生素

硫醚抗生素(lantibiotics)是一种含有硫醚键独特结构的抗生素,根据结构的不同,将硫醚抗生素分为A、B两个类型[5]。A型硫醚抗生素(21个～38个氨基酸残基)具有线性化的二级结构,它可以通过电压使细胞膜形成小孔,从而进入细胞杀死革兰阳性细菌。与A型硫醚抗生素相比,B型硫醚抗生素具有不同的环状二级结构。值得注意的是,乳球菌产生的乳酸链球菌素(nisin)[6]也属于硫醚抗生素,并且是细胞壁肽聚糖前体脂质Ⅱ,它既是一种重要的受体分子又是细胞膜间隙的固有成分。产硫醚抗生素的枯草芽孢杆菌具有自身保护机制来回避自身产物的作用,这种菌体自身保护机制依靠ATP结合(ATP-binding cassette,ABC)蛋白——与转运蛋白类似的蛋白质,将硫醚抗生素转运到细胞外[7]。此外,一些产硫醚抗生素的细菌拥有细胞膜内的脂蛋白,这种脂蛋白具有隔绝的功能,阻止高浓度的硫醚抗生素接近细胞膜或者通过硫醚抗生素脂质Ⅱ干扰细胞膜空隙的形成。

枯草菌素是含有32个氨基酸的五环状硫醚抗生素,它的结构与广泛应用的乳链菌素(nisin)类似[8]。枯草菌素基因簇可以编码枯草菌素前肽SpaS、负责翻译后形成硫醚氨酸的SpaBC,以及某些变异株含有的负责输出的转运蛋白SpaT。另外,胞外的枯草芽孢杆菌丝氨酸蛋白酶Wpra和Vpr也参与了枯草菌素的合成。枯草菌素自身免疫受脂质蛋白和ABC转运蛋白SpaFEG的调节,它的生物合成是通过正反馈机制来控制的,在这种正反馈系统中,胞外的枯草杆菌素能够激活调控系统中的两种成分感应组氨酸激酶(Spak)和调控蛋白(SpaR),后者与能够启动枯草菌素合成基因(spaS和spaBTC)和免疫基因(spalFEG)的启动子(spa-box)核酸序列结合[9]。SpaRK的表达受控于芽孢形成转录因子SigH,而SigH本身受到对数生长期的过渡态调控因子AbrB的抑制作用,因此,枯草杆菌素似乎受双重调控。

Ericin是枯草芽孢杆菌菌株A1/3产生的一种抗生素,其基因簇开放阅读框与枯草菌素对应的基因很相似,其包括两个结构基因(Ericin A和Ericin S)。Ericin S和枯草菌素只有四个氨基酸残基的区别[10],但Ericin A有一个环状结构,与Ericin S相比,有16个氨基酸的不同。Ericin S与Ericin A只需要一种单独的合成酶(EriBC),这反映了硫醚抗生素合成路径的多样性。

Mersacidin属于B型硫醚抗生素,它具有环状结构,能够与脂质Ⅱ配对从而抑制细胞壁的形成。Mersacidin基因簇包括结构基因mrsA,以及参与翻译后修饰的基因mrsM 、mrsD、转运基因mrsT、免疫基因 mrsFEG 和调控基因 mrsR1、mrsR2、mrsK2。mrsR1负责调控Mersacidin的生物合成,mrsR2和mrsK2专门调控Mersacidin免疫转运蛋白编码基因mrsFGE[11]。Mersacidin的分泌开始于稳定生长期,但是它的调控系统和枯草芽孢杆菌的细胞调控网络之间的关系至今还不清楚。

1.2 特殊的硫醚抗生素

Sublancin 168含有一个β-甲基硫醚键和两个二硫键,对革兰阳性菌有优先选择作用,它的结构基因sunA来源于枯草芽孢杆菌温和噬菌体SPβ,因此感染 SPβ噬菌体的细菌所产生的细菌素成分与Sublancin的成分相同[12]。另外,Sublancin基因簇中还含有一个ABC转运子(SunT)和两个二硫化物氧化还原酶基因(BdbAB)。BbdB能编码合成Sublancin,其他基因的作用可能是形成二硫键。在Sublancin的产生过程中,BdbB的同种异型基因BdbC产生的蛋白,一部分功能与BdbB蛋白相同,但是,BdbB不能弥补BdbC的功能,这表明两种紧密联系的二硫化物氧化还原酶基因有不同之处。

Subtilosin A含有一个大环结构,其中还含有三个内部残基形成的链接结构,并且它的硫醚键是由半胱氨酸硫原子和氨基酸α碳连接形成的。Subtilosin A对多种革兰阳性菌都有抗菌作用,其中包括李斯特杆菌。编码AkbA(YwiA)蛋白的sbo-alb(抗李斯特杆菌的抗生素)基因簇,很有可能参与了Subtilosin前肽的翻译后修饰,AlbF(YwhN)可能参与了subtilosin和免疫蛋白AlbB-D(YwhQPO)[13]的加工过程,而且只有在AbrB调控条件之下才会表达sbo-alb基因。

2 非核糖体合成的肽类抗生素

非核糖体合成的多肽抗生素广泛分布于细菌和真菌中,其合成系统由NRPSs体系和催化区域组成,其中NRPSs体系含有多种酶,催化区域则能催化多肽合成过程中的所有步骤,包括氨基酸的选择与缩合。非核糖体肽类合成过程中每一个延伸循环都需要三个核心区域:①腺苷酰作用区域(550 aa),本区域选择它的同源氨基酸并产生对酶稳定的氨酰基腺苷酸,这一作用机制与核糖体多肽合成过程中tRNA合成酶的氨酰化类似;②硫醇化区域(肽载体区域)(80 aa),它含有4′-磷酸泛酰巯基乙胺(PPan)辅基,PPan辅助因子具有硫模板和摆动臂的作用使中间产物在催化中心之间转运;③缩合区域(用于形成新肽键),本区域位于腺苷酰作用区域和肽转运区域之间。这种多样性的核心区域(1～3)和流水线似的装配特点确保了多肽产物的协调延伸。大部分情况下,非核糖体合成的终止是通过多肽产物自身形成的巨大的环状结构而实现的[14],这种具有代表性的反应是通过NRPS装配线中C-端硫脂酶区域催化实现的。两种组合系统为了使单体分子和增长的链形成共价键,都使用了多样性的Ppan载体,因此NRPSs与聚酮化合物合成酶紧密相关。

枯草芽孢杆菌脂肽表面活性素是已知的最有效的生物表面活性素——20 μ mol/L的溶液就能使水表面的张力从72 mN/m降到27 mN/m,它的作用原理类似去垢剂。表面活性素的生物合成主要通过Srf A-C这三种NRPSs酶;硫脂酶/酰基转移酶SrfD激活了这个过程。表面活性素耐药性是由革兰阳性菌多种药物泵出系统大家族——RND(resistance nodulation and cell division)家族的成员之一YerP产生的。srfA和comS的表达是通过复杂的网络调控的,这种网络能够控制细胞的分化,包括细胞外ComX产生的菌群反应,以及这两种成分调控的ComPA系统[15]。因此,枯草芽孢杆菌利用菌群反应途径,可以实现DNA的摄取和表面活性素的生成,而获取外源DNA能够提高细菌家族基因多样性。

伊枯草菌素家族成员都含有环状结构,并且由7个氨基酸和 1个β-氨基脂肪酸(βAA,β-amino fatty acids)组成,其成员包括抗霉菌枯草杆菌素(mycosubtilin)、伊枯草杆菌素(iturines)和杆菌霉素(bacillomycins),这些成员都有很强的抗真菌和溶血性作用,但只局限于抑菌活性方面,它们的合成都是通过与 NRPSs机制相似的抗霉菌枯草杆菌素(mycosubtilin)合成酶、伊枯草杆菌(iturin)素合成酶和杆菌霉素(bacillomycin)合成酶实现的[16]。

丰原素(与plipastatin同名)含有一些特殊的结构:如环状结构、分支结构等。丰原素对丝状真菌有特殊的杀灭作用,它的合成是通过NRPSs系统中ppsA-E编码的 FenC(287 ku),FenD(290 ku),FenE(286 ku),FenA(406 ku)和 FenB(146 ku)5种合成酶实现的。这5种合成酶相互连接构成一个紧密的链状结构,全长14.5 nm,并且在这个链中,5种酶的排列顺序为FenC-FenD-FenE-FenA-FenB,通过这些酶的协调合作完成丰原素的合成[17]。

Bacilysin(二肽芽胞菌溶素)的合成依赖于ywf-BCDEFGH基因簇[18]。ywfE,ywfF分别具有氨基酸连接功能和芽孢菌溶素免疫功能。芽孢菌溶素的产生受不同水平的调控,GTP通过转录调控子CodY和AbrB实现对它的负调控。正调控是通过鸟嘌呤核苷 5′-二磷酸 3′-二磷酸(ppGpp)以及由外激素PhrC引起的菌群反应机制而控制的。

Rhizocticins属于磷酸低聚肽的一种,结构式为C端非核糖体合成的氨基酸(Z)-l-2-氨基-5-膦酰-3-戊烯酸(APPA),分为A,B两种,Rhizocticins A是由枯草芽孢杆菌ATCC6633产生的,Rhizocticins B则是来源于枯草芽孢杆菌 168,研究发现 Rhizocticins合成过程中有一个步骤为醇醛缩合反应,它是由磷酸乙醛和草酰乙酸盐醛缩酶同系物RhiG的催化下完成的[19]。

3 非肽类抗生素

聚酮化合物(Polyketides)[20]可能是由枯草芽孢杆菌菌株168的染色体上的pksA-S基因(大小为76 kb)编码的PKS蛋白系统合成的,产物可能是地非西丁或者是bacillaene(化学式C35H48O7)。但是枯草芽孢杆菌菌株168本身不产生聚酮化合物,推断可能是sfp基因发生了变异。研究结果证明,地非西丁和bacillaene在枯草芽孢杆菌菌株A1/3内的合成依赖于一种与Sfp类似的Ppan转移酶。

氨基糖苷类抗生素(Aminosugar antibiotics),这一类包括 3,3′-neotrehalosadiamine(NTD),被证明是野生型菌株在利福平抗性的RNA聚合酶诱导下合成抗生素[21]。编码NTD生物合成的操纵子基因包括 ntdABC(yhjLKJ)。ntdR(yhjM)编码的调控蛋白NtdR,它可以实现对NTD自身合成基因的自动诱导。TasA是一种过渡时期的蛋白,大小为31 ku,且与芽孢的形成相关,具有广谱的抗微生物活性。TasA、yqxM 和sipW 一起构成了过渡相操纵子,它们在枯草芽孢杆菌孢子形成时期起到保护性的作用。

此外,科学家发现了其他一些枯草芽孢杆菌抗生素,如Bacilysocin,一种抗微生物磷脂,具有一定的抗菌活性,尤其对真菌类作用最突出,研究表明它是在Ytp-A的催化下,由氨基脂水解磷脂酰甘油产生的,可以利用丁醇从枯草芽孢杆菌菌株168细胞中提取;为一些枯草杆菌菌株还能够产生 Amicoumacin,它具有抗菌和抗炎症作用,尤其对幽门日光属杆菌有杀灭作用,这在人类慢性胃炎和胃溃疡的治疗中有较好的应用前景[22]。

4 枯草芽孢杆菌源抗生素的生物学功能

枯草芽孢杆菌具有产生多种抗生素的能力,这在芽孢杆菌属中是很少见的,这些抗生素对其他细菌有较强的抑制和杀灭作用。那么,除了纯粹的抗菌作用以外,抗生素是否还有其他的生物学功能。脂肽类抗生素是产生频率最高的枯草芽孢杆菌抗生素之一,它们和其他的两性分子化合物如磷脂类抗生素bacilysocin都是低分子质量的表面活性素,能够改变接触面的理化性质。这种生物乳化剂可能含有三种作用机制:①增加表面疏水区域非水溶性生长底物的数量;②增加表面溶解度从而增加它们疏水性底物的生物利用度;③影响微生物与接触面的附着与分离,这些作用将会对枯草芽孢杆菌在自然环境如土壤和根际的生存产生巨大的影响。

另外,有些抗生素还参与了孢子的形成过程。在营养缺陷的时候,凋亡的母细胞将从尾部释放出一个内生孢子[23]。枯草芽孢杆菌孢子形成过程中有三种基因(yveQ、yveR和sfp)参与:yveQ和yveR能编码胞外多糖合成酶,sfp负责编码一种PPan转移酶。由于Sfp能够改变枯草杆菌表面活性素和丰原素的NRPS合成酶和PKS合成酶,因此,它很有可能通过NRPS或PKS系统产生的一个或者多个表面活性物质干扰孢子形成过程。枯草芽孢杆菌芽孢的形成还受到调控蛋白SpoOA的控制。Gonzalez-Pastor J E[24]发现SpoOA也参与了孢子形成杀灭因子(skf)和孢子形成延迟蛋白(sdp)两种高度相关的操纵子的调控。枯草芽孢杆菌芽孢形成早期产生并释放出与抗生素类似的杀灭因子Skf,对自身起免疫作用,对不形成芽孢(SpoOA未激活)的姐妹细菌产生溶解作用。芽孢形成延迟蛋白Sdp可以和Skf配合实现SpoOA未被激活的细胞程序性的死亡,而且Sdp可以在产SpoOA的细胞中阻拦芽孢的形成。通过溶解姐妹细菌清除营养消耗者,这对于SpoOA激活的产Skf/Sdp的细菌将非常有利,这种机制可以确保芽孢的形成过程。

有些抗生素或表面活性素与枯草芽孢杆菌微生物膜的形成有关,而且表面活性素还能够抑制其他细菌微生物膜的形成,甚至人类肠道病原菌—沙门菌。枯草芽孢杆菌微生物膜的形成依赖于转录因子SpoOA、sigma-H和AbrB,而这些转录因子也在一些抗生素合成中的调控阶段发挥作用。研究证明,枯草芽孢杆菌在植物根部的定植与表面活性素的产生和微生物膜的形成有关,并且表面活性素保护了植物使其免受病原菌如假单胞菌的感染[25]。例如,鼠李糖脂表面活性物质能够影响绿脓杆菌微生物膜构建,这些都暗示与微生物膜相关的抗生素比我们预想的分布广泛得多。

5 展望

枯草芽孢杆菌是自然界中广泛存在的非致病细菌和植物内生细菌,可以用作微生态制剂的制备(只限于不产生耐抗生素的菌株)[26],对人畜无害,不污染环境,其芽孢具有抗逆性好、利于保藏,又能耐受极端的外部环境而长期存活,其分泌的抗菌物质抗菌谱广、物理、化学性质稳定,既可以对其他病原菌的核酸、蛋白质、细胞膜、细胞壁等直接起作用,也可以干扰它们的生物合成系统,因此,如果把抗菌物质用于分子生物学的研究,将具有十分诱人的应用前景和不可低估的开发潜力。

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Progress on Antibiotics ofBacillus subtilisSource

WANG Qiang,PENG Kai-song,YAN Bing,TU Li-min,T U Jian,QI Ke-zong

(College of Animal Science and Technology,Anhui Agricultural University,He fei,Anhui,230036,China)

Bacillus subtilisis a gram positive bacteria which is able to produce many kinds of antibiotics with an amazing variety of structures.These antibiotics include predominantly peptides that either ribosomally synthesized or non-ribosomally generated,as well as non-peptidic compounds such as polyketides,an aminosugar,and a phospholipid.This article introduced the structure of all knowB.subtilisantibiotics,and the analysis of their biosythntheses,and the regulation pathways of some antibiotics were given.The summarization of function which is distinct from antibacterial activity will do a favor for the research of antibiotics ofBacillus subtilis.

Bacillus subtilis;antibiotic;activity;gene

859.796

A

1007-5038(2010)09-0097-05

2010-03-22

国家高技术研究发展计划(863计划)(2006AA10Z320);科技部科技人员服务企业行动项目(2009GJC30041)

王 强(1984-),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,主要从事动物生物医药与功能评价。