Ribosomale Biosynthese trizyklischer Microviridine in Cyanobakterien: Biochemie, Evolution und Funktion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Microviridine, eine einzigartige Gruppe von trizyklischen Peptiden aus Cyanobakterien, spielen als effektive Proteaseinhibitoren nicht nur eine Rolle in der ökologischen Nische, sondern haben therapeutisches Potential bei Lungenemphysem. Microviridine werden durch einen ribosomalen Biosyntheseweg unter Beteiligung von zwei neuartigen ATPgrasp-Ligasen und einer bislang nicht beschriebenen Transporter-Peptidase synthetisiert. Im Rahmen dieses multidisziplinären Gemeinschaftsprojektes wurden neue Einblicke in die Microviridin- Biosyntheseenzyme und des Transporters, sowie deren Spezifitäten und Mechanismen bei der Peptidprozessierung gewonnen. Eine besondere Herausforderung stellte die Charakterisierung der ATPgrasp-Ligasen dar, die für die intramolekularen Zyklisierungen über Amid- und Esterbindungen verantwortlich sind. Es wurden Erkennungsmotive der Microviridin-leader-Peptide für die Ligasen und Peptidasen identifiziert, welche auch die Grundlage für die Manipulation der Microviridin-core-Sequenz darstellten. Zudem haben wir herausgefunden, dass der Transporter MdnE eine essentielle Rolle bei der Prozessierung von Microviridinen spielt. Diese Kenntnisse und ein neu etabliertes, robustes heterologes Expressionssystem wurden dazu genutzt, über gezielte Manipulationen und biokombinatorische Ansätze neue Microviridin-Varianten zu erzeugen. Auf diese Weise gelang es erstmals, systematisch RiPPs über einen rationalen Ansatz zu entwickeln und Struktur-Wirkungs-Beziehungen in Hinblick auf Protease-Inhibition aufzustellen. Strukturbiologische Studien lieferten die ersten Einblicke in die Bindung der Microviridine an das Target. Zusätzlich zu den biokombinatorisch generierten Peptiden wurden über einen metagenomischen Ansatz zahlreiche kryptische Microviridinvarianten in anderen Cyanobakterien identifiziert und charakterisiert. Somit konnte auch die evolutionäre Verbreitung und Diversifizierung von Microviridinen im Feld abgebildet werden. Über Transkriptanalysen unter verschiedenen natürlichen Bedingungen konnte geschlussfolgert werden, dass Microviridin-Biosynthesegene weitgehend konstitutiv transkribiert werden und es keine spezifische Regulation der Biosynthese im biologischen Kontext gibt. Da bislang ausschließlich Microcystis-Laborstämme genetisch manipulierbar sind, konnten bislang keine klaren Schlussfolgerungen zur Rolle von Microviridin im biologischen Kontext gemacht werden. Diese umfassenden Einblicke in Verbreitung, Wirkungsweise und Biosynthese von Microviridinen sind nicht nur Voraussetzung für eine biotechnologische Nutzung der Microviridin-Biosynthese-Enzyme für die Produktion von Protease-Inhibitoren, sondern liefern auch wichtige Informationen über die ökologische Funktion und Evolution dieser einzigartigen Peptidfamilie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011) Leader peptide and a membrane protein scaffold guide the biosynthesis of tricyclic depsipeptides in cyanobacteria. Chem. Biol. 18: 1413-1421
Weiz, A., Ishida, K., Makower, K., Ziemert, N., Hertweck, C., Dittmann, E.
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(2011) Natural product biosyntheses in cyanobacteria: A treasure trove of unique enzymes. Beilstein J. Org. Chem. 7: 1622- 1635
Kehr, J.C., Gatte-Picchi, D., Dittmann, E.
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(2013) Ribosomally synthesized and posttranslationally modified peptide natural products: overview and recommendations for a universal nomenclature. Nat. Prod. Rep. 30: 108-160
Arnison PG, Bibb MJ, Bierbaum G, Bowers AA, Bugni TS, Bulaj G, Camarero JA, Campopiano DJ, Challis GL, Clardy J, Cotter PD, Craik DJ, Dawson M, Dittmann E, Donadio S, Dorrestein PC, Entian KD, Fischbach MA, Garavelli JS, Göransson U, Gruber CW, Haft DH, Hemscheidt TK, Hertweck C, Hill C, Horswill AR, Jaspars M, Kelly WL, Klinman JP, Kuipers OP, Link AJ, Liu W, Marahiel MA, Mitchell DA, Moll GN, Moore BS, Müller R, Nair SK, Nes IF, Norris GE, Olivera BM, Onaka H, Patchett ML, Piel J, Reaney MJ, Rebuffat S, Ross RP, Sahl HG, Schmidt EW, Selsted ME, Severinov K, Shen B, Sivonen K, Smith L, Stein T, Süssmuth RD, Tagg JR, Tang GL, Truman AW, Vederas JC, Walsh CT, Walton JD, Wenzel SC, Willey JM, van der Donk WA
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(2014) Functional analysis of environmental DNA derived miroviridins provides new insights into the diversity of the tricyclic peptide family. Appl. Environ. Microbiol., 80:1380-1387
Gatte-Picchi, D., Weiz, A., Ishida, K., Hertweck, C., Dittmann, E.
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(2014) Harnessing the evolvability of tricyclic microviridins to dissect protease-inhibitor interactions. Angew. Chem. Int. Ed. 53: 3735-3738
Weiz, A., Ishida, K., Quitterer, F., Meyer, S., Müller, K., Groll, M., Hertweck, C., Dittmann, E.
