研究组长：赵国屏，研究员、中科院院士
主要研究方向及内容：在多年从事工业微生物研究开发工作的基础上，课题组于上世纪末完成了从传统的生化生理向分子生物学的转变。本世纪以来，以基因组学研究为切入点，课题组又开始了从分子生物学向现代高度交叉的系统合成生物学研究的转变。目前，课题组的研究方向聚焦于下列两个方面：（1）在微生物基因组、功能基因组和比较基因组分析的基础上，系统研究放线菌（包括工业放线菌和疾病相关分枝杆菌）及模式细菌的代谢及其全局性调控网络。重点以氮代谢及其调控因子GlnR为主要研究对象，鉴定相关的转录因子及相应的顺式元件，鉴定对代谢途径中的关键酶及调控蛋白的包括磷酸化和乙酰化在内的翻译后修饰机制，最终建立定量的、系统的放线菌氮代谢调控模型。（2）合成生物学的使能技术的研究和开发。与实验室其他课题组合作，探索建立合成生物学元件拼接标准并在此基础上构建有应用价值的元件库；与国内其他课题组合作，开拓在人类及哺乳动物体系中的系统合成生物学研究与技术应用。课题组通过与相关基因组研究机构的合作，能够有效地利用基因组及各种生命组学技术平台。
研究队伍：
工作人员：邵志会（副研究员）
博士后：田进忠
研究生：康潇蔓、杨玉蛟、周雅娟（上海科技大学）、吴嘉诚（上海科技大学）
联合培养生：尹蕾（上海师范大学）、吴祉乐（上海师范大学）、颜琪（国科大杭州高等研究院）
年度研究进展
1.地中海拟无枝酸菌中CRISPR-Cas12a基因编辑体系的建立
时至今日，利福霉素类药物仍然是临床上治疗肺结核的一线用药，而地中海拟无枝酸菌目前则是广泛应用于利福霉素发酵的工业用菌。为了对这一重要的工业菌株进行遗传改造，本实验室早在2000年左右便成功开发出了一套基于同源重组的基因敲除方法，然而，使用该方法进行基因敲除通常比较费时费力，尤其是很难得到无痕的基因缺失突变株。
随着人们对于细菌中CRISPR系统研究的不断深入，近年来基于CRISPR-Cas的基因编辑系统已经在许多细菌中建立完成。受此启发，本研究利用CRISPR-Cas12a系统在地中海拟无枝酸菌U32中建立了一套高效的基因编辑体系。首先，我们通过pRT803载体将Francisellatularensissubsp. novicida的Cas12a(即FnCas12a)基因整合到U32的基因组中；然后，在特定CRISPR RNAs (即crRNAs)的引导下，表达出来的FnCas12a能够靶向U32基因组的特定位置，并在周围导致双链DNA断裂；最后，这些双链DNA断裂可以通过非同源的DNA末端连接系统或同源的定向修复系统进行修复，从而分别在靶基因中产生不精确或精确的突变。在本研究中，我们利用该系统很容易地便实现了对glnR基因（编码全局性的氮代谢调节因子）和rifZ基因（编码利福霉素生物合成基因簇的途径特异性调节因子）的无痕敲除。从中不难看出，本研究中所建立的这套基于CRISPR-Cas12a的基因编辑系统将大大简化和加快地中海拟无枝酸菌的遗传改造过程。目前，这部分工作已经发表在Frontiers in Bioengineering and Biotechnology杂志上。
2.一种新型细菌同化型硝酸还原酶的鉴定和表征
对于微生物而言，硝酸盐是一种十分重要的无机氮源。事实上，许多细菌和古菌都具有表达同化型硝酸还原酶（NAS）的能力，从而将硝酸盐还原成亚硝酸盐。尽管耻垢分枝杆菌的硝酸盐同化能力在很久之前就已经在生理上得到了证实，然而，该菌中的NAS酶却至今仍未得到鉴定和表征。在本研究中，我们发现耻垢分枝杆菌中的Msmeg_4206基因可以编码一种新型NAS酶（即NasN），与经典的NAS酶相比，NasN在结构、电子转移机制、酶学性质和系统发育分布等方面存在着明显不同。早期报道的NAS酶均为异源寡聚酶，而NasN是一种依赖于NADPH的带黄素的单体酶，它同时包含了结合典型钼蝶呤辅因子的催化结构域和结合FMN-FAD/NAD的电子接收/转移结构域。遗传研究表明，nasN基因对于耻垢分枝杆菌的以硝酸盐为唯一氮源的有氧生长至关重要，并且nasN的转录明显受GlnR的调控。此外，与NADH依赖型的异二聚NAS酶相比，NasN更利于细菌在硝酸盐条件下的生长，推测这可能是由于其明显更强的催化活性和耐氧性。系统发育分析表明，与编码其他NAS酶的基因相比，nasN基因的进化比较滞后，其分布主要局限在放线菌和变形杆菌中。值得一提的是，就分枝杆菌这一类群而言，大多数可以快速生长的环境分枝杆菌都携带了nasN，而很多生长缓慢的致病性分枝杆菌则都不含nasN基因，推测这可能是因为后者在系统发生进化过程中发生了多个独立的基因组缺失事件。目前，相关工作已经发表在Journal of
Biological Chemistry上。
年度代表性论文：
1. Zhou Y, Liu X, Wu J, Zhao G, Wang J*. (2020). CRISPR-Cas12a-Assisted Genome Editing in Amycolatopsis mediterranei. Front Bioeng Biotechnol, 8: 698.
2. Tan W, Liao TH, Wang J, Ye Y, Wei YC, Zhou HK, Xiao YL*, Zhi XY*, Shao ZH*, Lyu LD*, Zhao GP*. (2020). A recently evolved diflavin-containing monomeric nitrate reductase is responsible for highly efficient bacterial nitrate assimilation. J BiolChem, 295(15): 5051-5066.
3. Li P, Zhang H, Zhao GP*, Zhao W*. (2020).Deacetylation enhances ParB-DNA interactions affecting chromosome segregation in Streptomyces coelicolor.Nucleic Acids Res,48(9):4902-4914.
4. Yu Y, Wang H, Tang B, Liang J, Zhang L, Wang H, Bian X, Li YZ, Zhang Y, Zhao GP*, Ding XM*. (2020). Reassembly of the Biosynthetic Gene Cluster Enables High Epothilone Yield in Engineered Schlegelellabrevitalea.ACS Synth Biol,9(8):2009-2022.
5. Liang JH, Wang HM, Bian XY, Zhang YM, Zhao GP*, Ding XM*.(2020).Heterologous redox partners supporting the efficient catalysis of epothilone B biosynthesis by EpoK in Schlegelellabrevitalea.Microb Cell Fact,19(1):180.
6. Liu XQ, Liu YY, Lei C, Zhao GP, Wang J*.(2020).GlnR Dominates Rifamycin Biosynthesis by Activating the rif Cluster Genes Transcription Both Directly and Indirectly in Amycolatopsismediterranei.Front Microbiol, 11:319.
7. Huang W, Yu L, Wen D, Wei D, Sun Y, Zhao H, Ye Y, Chen W, Zhu Y, Wang L, Wang L, Wu W, Zhao Q, Xu Y, Gu D, Nie G, Zhu D, Guo Z, Ma X, Niu L, Huang Y, Liu Y, Peng B, Zhang R, Zhang X, Li D, Liu Y, Yang G, Liu L, Zhou Y, Wang Y, Hou T, Gao Q, Li W, Chen S, Hu X, Han M, Zheng H, Weng J, Cai Z, Zhang X, Song F, Zhao G*, Wang J*. (2020). A CRISPR-Cas12a-based specific enhancer for more sensitive detection of SARS-CoV-2 infection. EBioMedicine, 61, 103036.
