Exploring chemical diversity of angucycline antibiotics : molecular basis of simocyclinone and grecocycline biosynthesis

Abstract

Members of the angucycline group of antibiotics are produced by different Streptomyces species and share common structural feature – the four-ring aglycon frame organized in a planner manner. Simocyclinone D8 is a potent inhibitor of the DNA gyrase supercoiling activity. It is the highly complex hybrid antibiotic, which comprises four parts that are coming from three pools of primary metabolism: angucyclic and linear polyketides, deoxysugar moiety and aminocoumarin. Although a hypothesis explaining simocyclinone biosynthesis has been previously proposed, little was proven in vivo due to the genetic inaccessibility of the producer strain. Three new D-type simocyclinones (D9, D10 and D11) produced by Kitasatospora sp. and Streptomyces sp. NRRL-24484, as well as their biosynthetic gene clusters, have been identified. The gene inactivation and expression studies have disproven the role of a modular polyketide synthase (PKS) system in the assembly of the linear dicarboxylic acid. Instead, the new stand-alone ketosynthase genes were shown to be involved in the biosynthesis of the tetraene chain. Additionally, the gene responsible for the conversion of simocyclinone D9 into D8 had been identified. Also biosynthetic gene cluster involved in the biosynthesis of another angucyclic polyketides grecocyclines from Streptomyces sp. Acta 13-62 was identified and cloned. Grecocyclines have unique structural moieties such as a dissacharide side chain, an additional amino sugar at the C-5 position and a thiol group. Enzymes from this pathway may be used for the derivatization of known active angucyclines in order to improve their desired biological properties.

Zugehörige zur Antibiotika Gruppe der Angucycline werden von verschiedenen Streptomyces Arten produziert und weisen strukturelle Gemeinsamkeiten, wie den planaren 4-Ring Aglykon Rahmen auf. Simocyclinon D8 ist ein starker Gyrasehemmer und verhindert damit das Supercoiling der DNA. Es ist ein hochkomplexes Hybrid Antibiotikum, das aus 4 Teilen, die aus 3 Gruppen des Primärstoffwechsels kommen, besteht: angucyclische und lineare Polyketide, Desoxyzuckerteile und Aminocoumarin. Obwohl kürzlich eine Hypothese aufgestellt wurde, die die Biosynthese von Simocyclinonen erklärt, ist in vivo aufgrund der genetischen Unzugänglichkeit des produzierenden Stammes nur wenig nachgewiesen. Drei neue D-Typ Simocyclinone (D9, D10, D11), produziert von Kitasatospora sp. und Streptomyces sp. NRRL-24484, sowie deren biosynthetische Gencluster wurden identifiziert. Die Gen Inaktivierungs- und Expressionsstudien haben die Rolle eines modularen Polyketidsynthasesystems (PKS) beim Zusammenfügen der linearen Dicarboxylsäure widerlegt. Stattdessen wurde gezeigt, dass die neuen eigenständigen Ketosynthase Gen an der Biosynthese der Tetraenkette beteiligt sind. Darüber hinaus wurde das für die Umwandlung von D9 in D8 verantwortliche Gen identifiziert. Auch das biosynthetische Gencluster, das an der Biosynthese eines anderen angucyclischen Polyketids, Grecocycline von Streptomyces sp. Acta 13-62, beteiligt ist, wurde identifiziert und geklont. Grecocycline haben einzigartige strukturelle Reste wie die Disaccharid-Seitenkette, einen zusätzlichen Aminozucker am C5 Atom und eine Thiolgruppe. Enzyme dieses Wegs können für die Derivatisierung bekannter aktiver Angucycline verwendet werden um deren gewünschte biologische Eigenschaften zu verbessern.