Эпигенетическая модификация: ключевой инструмент производства вторичных метаболитов микроорганизмами (аннотация)Эпигенетическая модификация: ключевой инструмент производства вторичных метаболитов микроорганизмами
Вторичные метаболиты (ВМ) - это низкомолекулярные соединения, не участвующие непосредственно в росте, развитии или размножении клеток и образующиеся после прекращения активного роста (разрастания и деления клеток).
Переход от первичного к вторичному метаболизму происходит из-за истощения питательных веществ, отсутствия света и изменения pH окружающей среды. Микроорганизмы являются фабриками по производству антибиотиков и способны вырабатывать различные ВМ, которые успешно используются для разработки лекарственных препаратов.
Филаментозные грибы - хорошо известные производители вторичных метаболитов. До 2014 года из морских и наземных организмов было идентифицировано и охарактеризовано около 17 000 натуральных продуктов. На сегодняшний день из актинобактерий получено более 5 000 антибиотиков, а из миксобактерий выделено около 500 вторичных метаболитов. Streptomyces является эффективным производителем 7 600 ВМ, идентифицированных до 2005 года.
Эти вторичные метаболиты играют различную роль; некоторые из них полезны, а другие - вредны для нас. Вырабатываемые грибами полезные вторичные метаболиты используются в качестве антибактериальных, противогрибковых, антигиперхолестеринемических и иммунодепрессантов. Однако некоторые микотоксины, такие как афлатоксины, глиотоксины, фузарины и фумонизины, наносят вред здоровью человека. Наличие различных кластеров генов ВM, выявленных при изучении микробного генома, позволяет предположить возможность увеличения производства полезных метаболитов, а также контроля производства вредных метаболитов. Изобилие скрытых и криптических путей в микробном геноме также предоставляет широкие возможности для образования новых биологически активных соединений с высокими терапевтическими свойствами.
Считается, что открытие микробных ВМ на основе геномики может быть инициировано секвенированием геномов S. coelicolor и S. avermitilis, которое привело к обнаружению 22 и 25 предполагаемых кластеров биосинтетических генов (BGC), соответственно, которые могут кодировать пути вторичного метаболизма. Анализ генома Aspergillus nidulans показал наличие 56 предполагаемых путей (Yaegashi et al., 2014). Все гены, необходимые для биосинтеза, регуляции и транспорта метаболитов, обычно расположены в BGC.
Начало производства ВМ обычно происходит в ранней стационарной фазе и включает различные метаболические изменения среди микроорганизмов. Наступление геномной эры привело к открытию различных натуральных продуктов из микроорганизмов. Исследования геномного анализа грибов выявили их огромный потенциал для производства ВМ. При нормальных условиях у этих микроорганизмов наблюдается ограниченное производство молекул, что может быть связано с отсутствием экспрессии генов. Следовательно, эпигенетические модификаторы играют потенциальную роль в активации молчащих генов и, возможно, приведут к увеличению производства природных метаболитов. Эти эпигенетические модификаторы усиливали производство ВM путем сверхэкспрессии активатора или репрессора или путем удаления некоторых генов.
Большинство ВМ подвержены воздействию различных сложных регуляторных систем, включающих сигнальный каскад и регуляторы, специфичные для данного пути. Ключевые метаболические ферменты, такие как поликетидсинтаза (PKS), терпеновая циклаза (TC), синтетаза нерибосомальных пептидов (NRPS) и диметилаллил триптофан синтетаза (DMATS), участвуют в биосинтезе огромного количества вторичных метаболитов. Однако некоторые вторичные метаболиты образуются с помощью других путей; например, оксилипины получаются из жирных кислот. Биосинтетические гены ВM экспрессируются совместно и остаются совместно локализованными в генном кластере. Из-за жесткой транскрипционной регуляции большинство кластеров генов ВМ остаются неактивными в лабораторных условиях.
Активация кластеров генов имеет потенциал для производства новых природных продуктов с высокой терапевтической ценностью. Для активации молчащего кластера генов ВM применялись различные стратегии, включая изменение условий культивирования или совместное культивирование микробов. Большинство стратегий были основаны на генетических манипуляциях, таких как сверхэкспрессия генов специфического для пути транскрипционного фактора и ключевого фермента (Rosler et al., 2016) или манипуляции глобальными регуляторами (Studt et al., 2016).
Эпигенетические исследования показали, что клетки могут претерпевать наследственные изменения в экспрессии генов без изменения основной последовательности ДНК. В настоящее время производство вторичных метаболитов путем эпигенетической модификации превратилось в мощный инструмент. Вторичный метаболизм у грибов и бактерий контролируется сложной регуляторной сетью, на которую влияют различные транскрипционные факторы и эпигенетические модификаторы. Используя ингибирующие соединения или нокаут генов, можно изменить функциональность или экспрессию регуляторных ферментов, присутствующих в биосинтетических процессах ВM, и получить новые натуральные продукты с помощью эпигенетических средств.
В данном обзоре обобщены различные типы эпигенетической регуляции для увеличения производства ВM у микробов. В настоящее время эпигенетика является новым инструментом, приобретающим все большее значение в микробной биотехнологии для производства новых биологически активных соединений и повышения их концентрации в микроорганизмах. Растущий спрос на новые лекарства увеличил потребность в альтернативных эпигенетических модификаторах, с одной стороны, и в интеллектуальных методах для высокопроизводительного открытия природных продуктов, с другой.
Эпигенетические модификаторы играют ключевую роль в активации скрытого кластера генов ВM, который способен увеличивать производство различных биологически активных соединений. Эпигенетическая модификация довольно сложна, однако она является одним из высокоэффективных инструментов, используемых для синтеза промышленных вторичных метаболитов, имеющих фармацевтическую и нутрицевтическую ценность. Тем не менее, очень важно расширить наши знания о влиянии эпигенетических модификаторов на структуру хроматина и их эффективности в активации кластера молчащих биосинтетических генов для повышения производства ВМ.
