Human steroidogenic cytochromes P450 : biotransformation of drugs and biotechnological application

Abstract

In humans, monooxygenases from the cytochrome P450 superfamily contribute to the biosynthesis of steroid hormones by catalyzing the side-chain cleavage of cholesterol and subsequent regio- and stereoselective hydroxylations, which determine the bioactivity of the hormones. In this work, the additional contribution of these steroidogenic cytochromes P450s to the metabolism of xenobiotics was established and their employment as highly selective and efficient biocatalysts in recombinant bacteria for the production of commercially relevant glucocorticoids, which are important anti-inflammatory andimmunosuppressive drugs, was realized. The capability of CYP11A1, CYP11B1 and CYP11B2 to metabolize synthetic anabolic steroids, mineralocorticoid receptor antagonists and synthetic gestangens was demonstrated. Products were identified and analyzed for an alteration of their pharmacodynamic properties. For the biotechnological application of CYP11B1 in the production of cortisol from 11-deoxycortisol, a whole-cell biocatalyst was developed by reconstituting the functional CYP11B1 system, including its redox partners adrenodoxin reductase and adrenodoxin, in Escherichia coli. It was optimized by molecular evolution of CYP11B1 and by increasing the synthesis of the redox partner adrenodoxin. Additionally, the author contributed to the establishment of an Escherichia coli-based system for the application of CYP21A2 in the production of the synthetic glucocorticoid premedrol.

Beim Menschen tragen Monooxygenasen der Cytochrom P450 Superfamilie zur Steroidhormonbiosynthese bei, indem sie die Seitenkettenspaltung von Cholesterin sowie sich anschließende regio- und stereoselektive Hydroxylierungen katalysieren, die die Bioaktivität der Hormone bestimmen. In dieser Arbeit wurde die zusätzliche Beteiligung dieser Steroidhormon synthetisierenden Cytochrome P450 am Metabolismus von Xenobiotika festgestellt und ihre Anwendung als hoch selektive und effiziente Biokatalysatoren in rekombinanten Bakterien für die Produktion von kommerziell relevanten Glucocorticoiden, die wichtige anti-inflammatorische und immunsuppressive Medikamente darstellen, realisiert. Das Potential von CYP11A1, CYP11B1 und CYP11B2, synthetische anabole Steroide, Mineralocorticoidrezeptor Antagonisten und Gestagene zu metabolisieren, wurde aufgezeigt. Produkte wurden identifiziert und auf Veränderungen ihrer pharmakodynamischen Eigenschaften hin untersucht. Für die biotechnologische Anwendung von CYP11B1 bei der Produktion von Cortisol aus 11-Desoxycortisol wurde ein Ganzzellbiokatalysator in Escherichia coli durch die Widerherstellung des funktionellen CYP11B1 Systems mit seinen Redoxpartnern, Adrenodoxin Reduktase und Adrenodoxin, entwickelt. Das System wurde durch molekulare Evolution von CYP11B1 und eine Erhöhung der Synthese des Redoxpartners Adrenodoxin optimiert. Zusätzlich wirkte die Autorin an der Etablierung eines Escherichia coli-basierten Systems für die Anwendung von CYP21A2 für die Produktion des synthetischen Glucocorticoids Premedrol mit. system for the application of CYP21A2 in the production of the synthetic glucocorticoid premedrol.