黑曲霉次级代谢全局调控新发现：转录因子激活揭示复杂代谢网络

本研究针对黑曲霉(Aspergillus niger)次级代谢产物(SM)挖掘难题，通过系统构建58个BGC相关转录因子(TF)过表达菌株库，结合多组学分析揭示了真菌次级代谢的复杂调控网络。研究发现仅26%的BGC能被共定位TF直接激活，首次证实跨染色体调控现象（如NRRL3_09035激活yanuthone BGC），并通过基因组学与代谢组学关联分析鉴定了tensidol B的生物合成基因簇。该研究为真菌天然产物开发提供了新策略，发表于《PNAS Nexus》。

　　

在微生物制药领域，黑曲霉等丝状真菌就像一座座未被完全勘探的"化学工厂"，其基因组中蕴藏着大量编码抗生素、抗癌药物等高价值化合物的生物合成基因簇(BGC)。然而实验室条件下，超过70%的BGC处于"沉默"状态，成为制约天然产物开发的重大瓶颈。传统观点认为这些基因簇的激活主要依赖共定位的转录因子(TF)，但这一理论能否解释复杂的代谢调控网络仍存疑问。

加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）和康考迪亚大学（Concordia University）的研究团队在《PNAS Nexus》发表了一项突破性研究。研究人员采用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在黑曲霉NRRL3菌株中构建了包含58个Zn₂Cys₆型TF的过表达菌株库。通过标准化表型分析、非靶向代谢组学和转录组学联合分析流程，系统揭示了次级代谢的调控规律。

关键技术包括：1）基于SMURF和antiSMASH的BGC生物信息学预测；2）通过glaA位点整合实现TF的麦芽糖诱导表达；3）LC-MS代谢物检测结合自定义数据库匹配；4）RNA-seq分析差异表达基因。

结果解析

BGC手动注释

完成黑曲霉NRRL3基因组86个BGC的全面注释，包含99个骨架酶基因（40个PKS、38个NRPS、9个杂合PKS/NRPS），其中仅11个BGC的代谢产物已被鉴定。

TF过表达菌株表型

14个菌株显示明显表型变化，如NRRL3_09545过表达产生TAN-1612特征性黄色色素，NRRL3_11029菌株呈现粉红色，与已知代谢产物carlosic acid相符。

代谢组学发现

43个菌株（74%）出现显著代谢物变化，包括：

• 已知代谢物产量提升：fumonisin B₂（1200倍）、yanuthone D（53倍）

• 新化合物特征峰：NRRL3_07741菌株检测到m/z 435.18和217.59的新峰

转录调控机制

发现三类调控模式：

1. 完全激活（9个BGC）：如yanuthone BGC所有基因上调81-152倍

2. 部分激活（6个BGC）：NRRL3_02186过表达上调10/12个基因，但转运蛋白未激活

3. 跨染色体调控：NRRL3_09035通过激活yanR间接调控yanuthone BGC

tensidol B生物合成鉴定

通过比较基因组学锁定NRRL3_04231关联的HPN型BGC，该簇在tensidol产生菌A. brasiliensis中高度保守。过表达NRRL3_04226骨架酶使tensidol B产量进一步提升。

讨论与意义

该研究颠覆了"共定位TF主导BGC表达"的传统认知，证实真菌次级代谢存在复杂的层级调控网络。发现的跨染色体调控现象为理解BGC进化提供了新视角，而标准化菌株库构建策略为大规模挖掘真菌药用资源提供了技术蓝图。特别值得注意的是，研究中建立的"表型-代谢-转录"三位一体分析框架，可推广至其他微生物次级代谢研究领域。这些发现不仅对开发新型抗菌药物具有重要价值，也为合成生物学改造真菌细胞工厂提供了理论依据。