近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室王海龙教授团队在Synthetic and Systems Biotechnology发表题为“Developing the protein quality control system in Streptomyces for selective translation of ultra-long full-length polyketide synthase mRNAs to enhance biosynthesis efficiency”的研究论文。

该研究受真核生物翻译质量控制机制启发，在链霉菌中建立特异性识别聚酮合酶全长mRNA的蛋白质质量控制系统StrProQC，通过开关RNA与顺式触发RNA的协同作用，仅启动全长mRNA翻译、阻断截短mRNA表达，实现超长聚酮合酶mRNA的翻译调控。该研究经过多轮系统优化，筛选获得转录终止性能优异的fd终止子，鉴定出多组高开关比的开关-触发（switch-trigger）功能元件，并通过优化核糖体结合位点（RBS），将系统开启状态强度提高2.8倍，开关比提高31.6倍。功能验证表明，将优化后的StrProQC系统分别应用于7.8 kb的多杀菌素PKS基因spnA与25.7 kb的雷帕霉素PKS基因rapA的全长mRNA选择性翻译，可使多杀菌素产量提升1.4倍、雷帕霉素产量提升4.7倍，且不影响宿主生长与中心代谢相关基因的转录。该研究丰富了链霉菌基因表达调控工具箱，对聚酮类药物代谢工程具有重要价值。

[研究背景]

聚酮化合物是抗生素、抗肿瘤药物和免疫抑制剂等药物的重要来源，其生物合成依赖聚酮合酶（PKS）。这类酶的编码基因通常10 kb以上，属于典型的超长基因，在链霉菌等宿主中易在转录过程中发生提前终止和mRNA降解，产生大量无功能的截断mRNA。这些截断mRNA会被翻译为无功能的截断蛋白，造成浪费细胞资源。真核生物已进化出mRNA翻译质量控制机制，可选择性识别并翻译全长mRNA，但在链霉菌中，专一识别全长mRNA、减少截短mRNA翻译的调控系统尚未建立。

[研究成果]

1. 筛选链霉菌中强终止子

蛋白质质量控制（ProQC）的功能发挥依赖高效转录终止元件，以此保障触发RNA正常转录、实现开关RNA与触发RNA的精准配对，是系统正常工作的基础。本研究选取三种经典转录终止子rrnBT1、t0和fd（图1A），在天蓝色链霉菌A3（2）中开展转录终止强度对比实验。通过构建含不同终止子的报告载体，结合链霉菌位点特异性整合表达与GusA活性检测发现，三种终止子均具备高效转录终止能力，可有效阻断基因转录。其中fd终止子的终止效率显著优于另外两种元件（图1B），是适配链霉菌ProQC系统的最优转录终止元件。

图1. 链霉菌中转录终止子的强度对比。

2. 筛选链霉菌中高开关比的开关-触发对

开关-触发RNA对的开关比（ON/OFF）是衡量ProQC系统调控精度、决定基因翻译可控性的核心指标。本研究对8组不同的开关-触发RNA组合进行系统活性测评，通过分别构建系统开启、关闭状态的检测载体，利用GusA活性检测精准量化两组状态下的基因表达水平（图2A-C）。实验结果表明，不同RNA配对的二级结构稳定性存在显著差异，结构更稳定的开关序列可有效降低系统关闭状态下的本底泄露表达，提升调控严谨度。综合开启活性与调控精准度，研究最终筛选出C、G、H三组潜力优异的开关-触发配对（图2D）。

图2. 用于测量链霉菌中开关触发对活性的质粒构建和活性检测。

3. 高活性糖体结合位点（RBS）序列筛选

RBS是决定基因翻译效率的关键核心元件，直接影响ProQC系统开启状态下的表达活性。研究选取5种不同来源、不同间隔序列的RBS元件，在统一启动子背景下构建报告表达体系，在链霉菌中完成异源表达与GusA活性检测（图3A）。结果证实不同RBS元件的翻译活性差异显著，其中ermEp* RBS活性最弱，而kasOp*、SA15p两种启动子的RBS元件翻译效率最优，且表达稳定性强（图3B）。

图3. 链霉菌中RBS序列强度比较。

4. 链霉菌中开关RNA的优化

基于筛选得到的优质RBS元件，研究对初筛的三组优势开关-触发配对进行迭代优化改造，显著提升系统综合调控性能。研究将SA15p、kasOp*两种启动子来源具有强翻译效率的RBS元件，分别替换至C、G、H三组原始开关序列中，构建多组改造型调控系统，并通过GusA酶活检测对比改造前后的开关活性与开关比。实验表明，部分RBS替换改造体系有效降低了关闭状态下的本底泄露，部分体系大幅提升了开启状态的基因翻译效率。经过多维度性能筛选，最终获得C-kas、G-SA15、G-kas和H-SA15四组性能显著提升的开关配对，其中G-SA15配对兼具高开启活性与高开关比，综合调控性能最优（图4）。

图4. RBS替换对开关触发对活性的影响。

5. StrProQC系统实现全长PKS mRNA的选择性翻译，促进聚酮化合物生物合成

本研究将构建的StrProQC系统应用于长片段聚酮合酶基因的精准翻译调控，验证系统的实际应用价值。研究选取两种工业与医药领域具有重要价值的生物农药多杀菌素生物合成途径中的7.8 kb spnA基因和免疫抑制剂雷帕霉素生物合成途径中的25.7 kb rapA基因，分别将上述基因置于StrProQC系统控制下实现全长mRNA的选择性翻译，并与全长和截断mRNA均翻译的toehold系统进行比较（图5A-C）。发酵结果表明，StrProQC和toehold系统调控下的基因转录截断水平无明显差异，证明转录过程未受影响（图5D）；但在产物合成层面，StrProQC系统可实现全长PKS mRNA的选择性翻译，有效减少了截短mRNA导致的无效翻译问题。相较于toehold系统，StrProQC系统可使白色链霉菌J1074中多杀菌素产量提升1.4倍（图5E），阿维链霉菌DSM46492中雷帕霉素产量提升4.7倍（图5F）。同时，宿主生长特性（图5G）和核心代谢通路相关基因转录（图5H）均无显著差异，表明其调控特异性强。

图5. StrProQC系统通过选择性翻译全长PKS mRNA促进多杀菌素与雷帕霉素合成及其对宿主生理影响的评估。

[总结与展望]

该研究通过终止子、开关-触发RNA对和核糖体结合位点等调控元件的筛选与优化，成功构建了适配链霉菌的StrProQC蛋白质质量控制系统。StrProQC系统可实现超长PKS全长mRNA的选择性翻译，有效减少截断mRNA引发的无效翻译问题，并提高了聚酮药物多杀菌素和雷帕霉素的生物合成效率。该研究为聚酮合酶等超长基因表达调控提供了新策略。

[原文信息]

Developing the protein quality control system in Streptomyces for selective translation of ultra-long full-length polyketide synthase mRNAs to enhance biosynthesis efficiency

Chanjuan Jiang, Kexin Hao, Shaoqian Wang, Ruofei Guo, Xiaochen Li, Lin Lv, Ji Luan, Hailong Wang

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.synbio.2025.10.004

支持单位：