【化学生物学】先有抗生素还是先有抗性基因？—以LOBs及其抗性基因kijX为例- 大数跨境

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2023-05-12

导读：中科院南海海洋研究所张长生研究员团队在开展海洋微生物产生的Lobophorins (LOBs) 的生物合成和异源表达研究时，在异源宿主中意外地发现了一个与LOBs耐药性相关的糖苷酶KijX。

抗生素耐药问题正在引发全球健康危机，普遍认为抗生素耐药的产生与抗生素的广泛使用息息相关。越来越多的研究发现，即使来源于人迹罕至的冻土和洞穴的微生物中也存在抗生素抗性基因，表明环境微生物作为抗性基因的储存库，可能是临床耐药菌株中抗性因子的起源。这也提出了一个关于抗生素与其抗性基因演化中“先有鸡还是先有蛋？”的有趣问题：到底是抗生素的广泛使用催生了相应抗性基因的进化，还是抗性基因本已古老存在，抗生素的使用只是加速了其发现过程？无论如何，从环境微生物中鉴别新的抗生素抗性基因，理解其生态功能，可为抗生素的临床耐药性提供潜在的可控措施和解决方案。

近日，中科院南海海洋研究所张长生研究员团队在开展海洋微生物产生的Lobophorins (LOBs) 的生物合成和异源表达研究时，在异源宿主中意外地发现了一个与LOBs耐药性相关的糖苷酶KijX。KijX的同源酶在细菌、真菌和古菌中广泛存在，该类酶都能通过催化LOBs中C-9位多糖链的水解而使菌株耐药，但不能催化C-9位带单糖的LOBs脱糖。在异源重组菌株S. coelicolor M1154/pCSG5560中，LOBs的产生经历了糖基化（三糖）-脱糖-再糖基化（单糖）的过程，通过外源基因簇lob和内源基因kijX之间的相互作用，实现了LOBs的结构多样化（图1）。

图1. 野生型菌株和异源重组菌株中LOBs产生的差异及菌株对LOBs产生抗性的分子机制

活性评价实验显示C-9位带有三糖或双糖的LOBs能够抑制不含KijX同源蛋白的放线菌的生长，不能抑制含有KijX同源蛋白的放线菌的生长，C-9位带有单糖或无糖的LOBs对指示菌株没有抑制活性。在LOBs抗性菌株中敲除kijX同源基因后，菌株变得对LOBs敏感；在LOBs敏感菌株中导入kijX基因后，菌株变得对LOBs有抗性，证实了kijX及其同源基因为LOBs的抗性基因。菌株之间的拮抗实验显示LOB产生菌可抑制LOB敏感菌株的生长而不能抑制抗性菌株的生长，表明LOB B可能为其产生菌产生的用以抑制同一生境中其他菌株的生长的特定代谢产物，从而获得生长竞争优势，体现了环境微生物之间的一种共进化关系。同时发现，LOB产生菌Streptomyces sp. SCSIO 01127通过lobT1基因编码的外排泵LobT1的主动外排作用将胞内的LOBs排出体外以达到解毒目的。

图2. kijX作为抗性基因的鉴定以及LOBs产生菌与非产生菌间的拮抗作用

AcvX的晶体结构与AlphaFold2预测的15个同源蛋白结构显示这类蛋白含典型的GH113糖基水解酶 (β/α)₈ 桶装结构，但与典型的GH113相比，KijX类酶与底物结合的口袋呈现出特征的带负电的凹槽状口袋（图3）。

图3. AcvX晶体结构分析

绝大多数KijX同源酶在本研究之前被注释为未知功能蛋白，但含有kijX的微生物在环境中分布非常广泛，涵盖了沙漠、海洋和深洞，以及人和动物的肠道微生物。与此相反，含有LOB生物合成基因簇的微生物大多数来自于海洋环境。因此，研究人员推测某些抗生素的抗性基因本已古老存在，抗生素的广泛使用加速了其发现过程。然而，kijX及其同源基因作为LOBs的抗性基因是巧合还是必然，是否其进化的目的是为抵抗环境中的LOBs还未知，其原始生物学功能还有待进一步研究。

这一成果近日在线发表于Angewandte Chemie International Edition。谭彬博士、张丽萍副研究员和张庆波研究员为共同第一作者，朱义广和张长生研究员为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Widespread Glycosidase Confers Lobophorin Resistance and Host-Dependent Structural Diversity

Bin Tan^#, Liping Zhang^#, Qingbo Zhang^#, Siqiang Chen, Weiliang Xiong, Yiguang Zhu*, and Changsheng Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202302043

张长生研究员简介

研究员，博士生导师，中国科学院南海海洋研究所副所长。2002年毕业于德国Wuppertal大学获博士学位，2003-2008年在美国威斯康星大学麦迪逊分校从事博士后研究，2008年3月加入中国科学院南海海洋研究所，致力于海洋微生物天然产物发现、生物合成和创新药物研发研究。在Science、Nat Commun、JACS、Mol Cell、Angew Chem Int Ed、Sci China Chem、Chem Sci等期刊发表论文160余篇；授权专利近40件。2011年获得国家自然科学基金杰出青年基金，2014年入选科技部“中青年科技创新领军人才”、2015年入选“广东特支计划”杰出人才（南粤百杰），2016年入选国家“万人计划”科技创新领军人才，2021年入选英国皇家化学学会会士。获得第四届曾呈奎海洋科技奖-青年科技奖（2016年）。现任期刊Nat Prod Rep编委会成员。

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