Aufklärung der Biosynthese der Kernstruktur von Endiin-Naturstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Endiin-Naturstoffe und ihre Biosynthese stellen die wissenschaftliche Gemeinschaft seit ihrer Entdeckung 1983 vor ein Rätsel. Seitdem wurden nur 20 Verbindungen dieser Stoffklasse entdeckt, welche in drei Gruppen eingeteilt werden können: 9-gliedrige Endiin-Naturstoffe (C-1027-Typ), 10-gliedrige Endiin-Naturstoffe (CAL-Typ) und 10-gliedrige Endiin-Naturstoffe, verbunden mit einem Anthrachinon (AFE-Typ). Ein besseres Verständnis für Endiine ist insofern von Interesse, dass die Verbindungen dieser Stoffklasse eine einzigartige und potente Aktivität bezüglich der Spaltung von DNA-Molekülen besitzen. Diese Aktivität macht sie insbesondere für den Einsatz als Chemotherapeutika in der Krebsbehandlung interessant, gekoppelt mit Antikörpern als „antibody-drug conjugates“. Während die Entdeckung neuer, jedoch verwandter Strukturen langsam, aber stetig fortschreitet, konnte seit der Identifizierung der verantwortlichen Biosynthesegencluster (BGC) für C-1027 und Calicheamicin in 2002 nur wenig über die Biosynthese der Endiine aufgeklärt werden. Anhand der BGCs konnten die Endiine allgemein als Polyketide identifiziert werden, mit einem gemeinsamen linearen Vorläufer, Tetradecaheptaen. Wie diese Verbindung, die erst 2022 als eindeutiges Intermediat festgelegt werden konnte, zu den unterschiedlichen Gruppen weiterverarbeitet wird, ist unklar. Im Rahmen dieser Studie wurden die Schritte zur Transformation dieser Verbindung untersucht und eine Kassette von fünf Enzymen konnte als essentiell und universell für alle bekannten Endiin-Gruppen festgelegt werden. Diese Kasette beinhaltet die Polyketidsynthase und Thioesterase zur Biosynthese von Tetradecaheptaen, sowie drei weitere Enzyme welche die Transformation zu einem universellen Vorläufermolekül mit einem Entetrain-Motiv und zwei Iodid-Gruppen katalysieren. Die Iodierung in diesem Intermediat geht im weiteren Verlauf der Biosynthese verloren, kann aber in zukünftigen Studien als Ein/Aus-Schalter verwendet werden, um die Entdeckung neuer Endiin-Naturstoffe zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die einheitliche und hochkonservierte 5-Gen-Kassette zur genombasierten Priorisierung von Stämmen verwendet werden, und dabei helfen mögliche Biosynthesegencluster zu identifizieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Biosynthesis of the Benzoxazolinate Moiety in C-1027 Biosynthesis Proceeds via CoA-tethered Intermediates. [Poster presentation] 4th International Congress on Natural Product Discovery and Development in the Genomic Era, San Diego, CA, United States.
Lauterbach, L., Viehrig, K., Ge, H.-M., Yang, D. Steele, A. D., Kiefer, A. F. & Shen, B.
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The Natural Products Discovery Center: Release of the First 8490 Sequenced Strains for Exploring Actinobacteria Biosynthetic Diversity. openRxiv.
Kalkreuter, Edward; Kautsar, Satria A.; Yang, Dong; Bader, Chantal D.; Teijaro, Christiana N.; Fluegel, Lucas L.; Davis, Christina M.; Simpson, Johnathon R.; Lauterbach, Lukas; Steele, Andrew D.; Gui, Chun; Meng, Song; Li, Gengnan; Viehrig, Konrad; Ye, Fei; Su, Ping; Kiefer, Alexander F.; Nichols, Angela; Cepeda, Alexis J. ... & Shen, Ben
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Enediyne natural product biosynthesis unified by a diiodotetrayne intermediate. Nature Chemical Biology, 20(9), 1210-1219.
Gui, Chun; Kalkreuter, Edward; Lauterbach, Lukas; Yang, Dong & Shen, Ben
