Микроорганизмы, включая бактерии и грибы, производят огромное разнообразие натуральных продуктов, которые являются беспрецедентным ресурсом, имеющим промышленное и фармацевтическое значение.
Секвенирование геномов бактерий и грибов выявило наличие многочисленных кластеров биосинтетических генов вторичных метаболитов (BGC). Например, анализ данных секвенирования следующего поколения Aspergillus spp. показал, что один штамм имеет гораздо больше кластеров генов биосинтеза вторичных метаболитов, чем ранее выделенные в лаборатории натуральные продукты. Эти молчаливые (криптические) кластеры генов таят в себе сокровища новых биологически активных метаболитов для открытия новых лекарственных препаратов. Однако в стандартных лабораторных условиях доступна лишь часть этих соединений. В нормальных условиях некоторые BGC молчат или экспрессируются на низком уровне. Экспрессия генов может быть вызвана изменением параметров культивирования или применением физических, биологических или химических стрессов. Эти молчащие гены могут быть активированы с помощью эпигенетических манипуляций. Эпигенетика описывает наследуемые изменения в экспрессии генов, которые происходят без изменения последовательности генома. Эти эпигенетические изменения ДНК обратимы, что позволяет адаптировать и модулировать экспрессию генов в изменчивой среде.
В последние годы такое эпигенетическое модулирование привело к открытию нескольких новых природных биомолекул. Эпигенетические манипуляции включают нокауты генов, которые изменяют экспрессию и функциональность специфических ферментов, участвующих в создании и модуляции паттернов метилирования ДНК. Общие молекулярные модификации, составляющие основу эпигенетической регуляции генов, включают метилирование ДНК, ремоделирование хроматина, ковалентную модификацию гистонов, локализацию вариантов гистонов и петли обратной связи. Следовательно, ингибиторы ДНК-метилтрансфераз и/или ингибиторы деацетилазы гистонов часто направлены на нокаут генов.
Сообщалось, что обработка бактерий и грибов ингибиторами ДНК-метилтрансферазы (DNMT), такими как 5-азацитидин, прокаин, прокаинамид и гидралазин, и ингибиторами гистондеацетилазы (HDAC), такими как бутират натрия, субероиланилид гидроксамовая кислота (SAHA) и вальпроевая кислота, индуцирует криптические гены или активирует биосинтетические пути вторичных метаболитов. В дополнение к генетической модуляции, ряд недавних исследований предположил, что различные активные пищевые компоненты, присутствующие в таких пищевых ингредиентах, как куркума, виноград или зеленый чай, также могут стимулировать эпигенетические изменения.
Эпигенетические изменения, вызванные патогенами, могут также изменять функции клеток хозяина, либо способствуя защите хозяина, либо способствуя персистенции патогена. Известно, что эпигенетические механизмы подавляют и контролируют экспрессию генов, вовлеченных в патогенность (Tannous et al., 2020). Таким образом, эпигенетические регуляции имеют потенциальное применение в контроле патогенеза и патогенов. Эпигенетическое возмущение кластеров генов позволяет использовать микроорганизмы для биосинтеза новых химических соединений, имеющих фармацевтическое и промышленное значение. Кроме того, известно, что эпигенетические манипуляции влияют на пути метаболитов, такие как биосинтез поликетидов, индуцированное производство криптических соединений, восстановление ослабленных соединений и производство биологически активных соединений из организма хозяина.
В своем обзоре Pillay et al. обращают внимание на регуляторные схемы у грибов, регулирующие экспрессию вторичных метаболитов. Они рассмотрели хроматин и его роль в контроле экспрессии генов, а также ответ на эпигенетическую обработку на уровне метаболома. Вкратце рассказали о малых молекулярных модификаторах, механизмах их действия, сайтах-мишенях, преимуществах и недостатках. Кроме того, показано, что генетическая делеция или эпигенетическое ингибирование деацетилаз гистонов не обязательно приводит к сверхэкспрессии или индукции молчащих BGC. Скорее, реакция является более сложной и часто приводит к дифференциальной экспрессии вторичных метаболитов.
В мини-обзоре Chaturvedi et al. описали основные эпигенетические модификации, такие как метилирование ДНК, ремоделирование хроматина, РНК-интерференция, и их влияние на экспрессию генов в усилении производства вторичных метаболитов у микроорганизмов. Грибы, особенно те, которые связаны эндосимбиотическими отношениями с растениями, в настоящее время признаны будущими источниками новых природных соединений.
Nishad et al. исследовали эффективность BRD4770, нового ингибитора гистоновой метилтрансферазы, в эпигенетическом манипулировании "молчащей" BGC в грибковых эндофитах. Diaporthe longicolla, эндофит, выделенный из стебля Saraca asoca, обрабатывался различными концентрациями BRD4770, что вызвало образование биоактивных соединений с повышенной антибактериальной и антиоксидантной активностью. С помощью GC-MS и LC-ESI-MS/MS индуцированные соединения были идентифицированы как берберин (антибактериальное), кофеин и теобромин (антиоксидантное).
Ramesha et al. оценили шесть известных модификаторов, а именно: два ингибитора DNMT (5-азацитидин и гидралазина гидрохлорид), активатор сиртуина (кверцетин) и три ингибитора HDAC (SAHA, бутират натрия и вальпроевая кислота) для эпигенетической модуляции в эндофитном грибе Nigrospora sphaerica. Авторы пришли к выводу, что по сравнению с обработкой DNMT, обработка HDAC индуцирует больше криптических метаболитов.
Vieira et al. оценили несколько методов культивирования с использованием различных культуральных сред и химических элиситоров для увеличения производства эпоксикетонового пептида актинобактерией Streptomyces sp. BRA-346, выделенной из бразильской эндемичной туникаты Euherdmania sp. Секвенирование и анализ генома BRA-346 показали, что он обладает широким диапазоном биосинтетической способности. В лабораторных условиях ампициллин повышал уровень эпоксикетона и снижал уровень макролидов, терпенов и дикетопиперазинов/алкалоидов, тогда как прокаин оказывал противоположный эффект, снижая уровень пептидов эпоксикетона и повышая уровень трех других основных групп (макролидов, терпенов и дикетопиперазинов/алкалоидов). Один BGC был связан с производством целевых эпоксикетоновых пептидов под действием BRA-346. Клонировав BRA-346 epn/tmc BGC в S. coelicolor M1146, Vieira et al. удалось получить эпоксикетоновые пептиды и несколько их сородичей, включая эпонемицин. Данная работа представляет собой комплексную модель исследования натуральных продуктов в недавно выделенном штамме Streptomyces из уникальной ниши. Она сочетает в себе ультрасовременные биотехнологические подходы для раскрытия химического состава и идентификации BGC, связанных с производством пептида эпоксикетона, что позволяет разработать возможные стратегии для улучшения его производства.
Таким образом, данные исследования дают новое понимание эпигенетической модуляции бактерий и грибов с использованием эпигенетических модификаторов для улучшения производства вторичных метаболитов и/или криптических метаболитов, которые имеют потенциальное применение в фармацевтике и промышленности. На сегодняшний день имеется ограниченное количество исследований по эпигенетической модуляции микроорганизмов.
Мы надеемся, что эта небольшая подборка статей побудит больше исследователей работать над этой темой, которая приобретает все большую важность и интерес. Необходимы дальнейшие исследования и обсуждения не только в отношении применения, но и в отношении механизмов эпигенетической модуляции.
