Biosynthesis and evolution of anthracyclines
Nji Wandi, Benjamin (2021-08-20)
Biosynthesis and evolution of anthracyclines
Nji Wandi, Benjamin
(20.08.2021)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8539-5
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8539-5
Tiivistelmä
Natural products are a rich source of medication leads, accounting for about twothirds of all antibiotics and one-third of all anticancer drugs currently in use. Anthracyclines, which belong to the type II family of aromatic polyketides, are a medically essential class of natural products. They have one or more deoxysugar moieties attached at C–7 via O–glycosylation and are made up of the tetracyclic 7,8,9,10-tetrahydro-5,12-naphtacenoquinone aglycone chromophore. Anthracyclines are produced by soil-dwelling Gram-positive Actinobacteria. They are cytotoxic, but also cardiotoxic, which limits their clinical use. Minor changes in anthracyclines can reduce or eliminate their unwanted side-effects, while preserving their cytotoxicity.
The literature review covers the biosynthesis of anthracyclines from the starting unit until the modification of the common aglycone scaffold. Furthermore, it depicts evolutionary events that have occurred during diversification of anthracycline biosynthetic pathways with special focus on the so-called tailoring steps. Finally, it explains the use of chimeragenesis as a protein engineering technique to trace the evolutionary events and to generate novel catalysts.
This thesis focused on the biosynthesis of nogalamycin and elucidated the individual steps in the biosynthesis of L-rhodosamine using seven different enzymes. Furthermore, L-rhodosamine was attached to an anthracycline aglycone acceptor with a dual linkage system using the glycosyltransferase SnogD and the α- ketoglutarate–dependent monooxygenase SnoK. My work uncovered the 2''–hydroxylation function of the Rieske enzyme SnoT, which is a critical postmodification essential for nogalamycin bioactivity. This study also established the order of late-stage modification reactions with 2''–hydroxylation as the first step, followed by the 2–5'' carbocyclization and 4''–epimerization by SnoT, SnoK and SnoN, respectively.
My thesis exploited chimeragenesis to uncover the evolutionary paths of anthracycline methyltransferases and α-ketoglutarate-dependent monooxygenases. The work elucidated how the 4'' epimerase SnoN has evolved via gene duplication and functional differentiation of the 2–5'' carbocyclase SnoK. In contrast, the 10– decarboxylase TamK and the 10–hydroxylase RdmB have evolved without a gene duplication event from the 4–O–methyltransferase DnrK. This study explains how the increase of anthracycline diversity may have occurred through subtle changes in the sequences of biosynthetic enzymes. Luonnonyhdisteet ovat lääkeaineaihioiden rikas lähde, joiden avulla on kehitetty noin kaksi kolmasosaa kliinisessä käytössä olevista antibiooteista ja kolmasosa syöpälääkkeistä. Antrasykliinit ovat lääkekehityksen kannalta tärkeä luonnonyhdisteiden luokka, mitkä kuuluvat tyypin II aromaattisiin polyketideihin. Antrasykliinejä tuottavat maaperässä elävät Gram-positiiviset Aktinobakteerit. Yhdisteet ovat sytotoksisia, mutta myös sydäntoksisia, mikä rajoittaa niiden kliinistä käyttöä. Pienet muutokset antrasykliinien rakenteissä voivat kuitenkin vähentää tai poistaa eitoivottuja haittavaikutuksia, samalla kuitenkin säilyttäen sytotoksisuuden.
Kirjallisuuskatsaus kuvaa antrasykliinien biosynteesin yhteisen antrasykliinihiilirungon muodostumiseen saakka. Tämän lisäksi tutkielma kuvaa antrasykliinien evoluutiota ja monimuotoisuuden syntymistä keskittyen erityisesti niin sanottuihin muokkausreaktioihin. Lopuksi tutkielmassa käydään läpi kuinka proteiinien muokkaukseen käytettävää kimerageneesi-menetelmää voidaan käyttää proteiinievoluutiossa tapahtuvien muutosten tutkimiseen ja uusien proteiinikatalyyttien kehittämiseen.
Tutkielmani keskittyy nogalamysiinin biosynteesiin, missä selvitin kuinka Lrhodosamiini sokeri muodostuun seitsemän entsyymin toimesta. Tämän lisäksi liitimme L-rhodosamiinin antrasykliiniin kaksinkertaisella sidoksella käyttäen glykosyylitransferaasia SnogD ja α-ketoglutaraattista riippuvaista oksygenaasia SnoK. Työni paljasti, että nogalamysiinin bioaktiivisuuden kannalta kriittisen 2'' hydroksylaatioryhmän asettaa paikalle Rieske entsyymi SnoT. Tutkielmani selvitti myös myöhäisen vaiheen muokkausreaktion järjestyksen, missä ensin tapahtuu SnoT proteiinin katalysoima 2'' hydroksylaatio, minkä jälkeen SnoK entsyymi katalysoi 2–5'' karbosyklisaatiota ja SnoN proteiini 4'' epimerisaatiota.
Käytin kimerageneesi-menetelmää selvittääkseni eri antrasykliinien biosynteesiin liittyvien metyylitransferaasien ja α-ketoglutaraattista riippuvaisten oksygenaasien evoluutiota. Työni selvitti kuinka 4'' epimeraasi SnoN on muodostunut muinaisen 2–5'' karbosyklaasin SnoK tuotosta vastaavan geenin kahdentumisen ja funktionaalisen erilaistumisen seurauksena. Tämä on erilainen kuin mitä on tapahtunut 10–dekarboksylaasin TamK ja 10–hydroksylaasin RdmB kohdalla, missä proteiinien evoluution on tapahtunut 4–O–metyylitransferaasi DnrK proteiinista ilman geenien kahdentumista. Työni kuvaa kuinka hyvin pienet muutokset biosynteesistä vastuussa olevissa proteiineissa voivat johtaa antrasykliinien monimuotoisuuden kasvuun.
The literature review covers the biosynthesis of anthracyclines from the starting unit until the modification of the common aglycone scaffold. Furthermore, it depicts evolutionary events that have occurred during diversification of anthracycline biosynthetic pathways with special focus on the so-called tailoring steps. Finally, it explains the use of chimeragenesis as a protein engineering technique to trace the evolutionary events and to generate novel catalysts.
This thesis focused on the biosynthesis of nogalamycin and elucidated the individual steps in the biosynthesis of L-rhodosamine using seven different enzymes. Furthermore, L-rhodosamine was attached to an anthracycline aglycone acceptor with a dual linkage system using the glycosyltransferase SnogD and the α- ketoglutarate–dependent monooxygenase SnoK. My work uncovered the 2''–hydroxylation function of the Rieske enzyme SnoT, which is a critical postmodification essential for nogalamycin bioactivity. This study also established the order of late-stage modification reactions with 2''–hydroxylation as the first step, followed by the 2–5'' carbocyclization and 4''–epimerization by SnoT, SnoK and SnoN, respectively.
My thesis exploited chimeragenesis to uncover the evolutionary paths of anthracycline methyltransferases and α-ketoglutarate-dependent monooxygenases. The work elucidated how the 4'' epimerase SnoN has evolved via gene duplication and functional differentiation of the 2–5'' carbocyclase SnoK. In contrast, the 10– decarboxylase TamK and the 10–hydroxylase RdmB have evolved without a gene duplication event from the 4–O–methyltransferase DnrK. This study explains how the increase of anthracycline diversity may have occurred through subtle changes in the sequences of biosynthetic enzymes.
Kirjallisuuskatsaus kuvaa antrasykliinien biosynteesin yhteisen antrasykliinihiilirungon muodostumiseen saakka. Tämän lisäksi tutkielma kuvaa antrasykliinien evoluutiota ja monimuotoisuuden syntymistä keskittyen erityisesti niin sanottuihin muokkausreaktioihin. Lopuksi tutkielmassa käydään läpi kuinka proteiinien muokkaukseen käytettävää kimerageneesi-menetelmää voidaan käyttää proteiinievoluutiossa tapahtuvien muutosten tutkimiseen ja uusien proteiinikatalyyttien kehittämiseen.
Tutkielmani keskittyy nogalamysiinin biosynteesiin, missä selvitin kuinka Lrhodosamiini sokeri muodostuun seitsemän entsyymin toimesta. Tämän lisäksi liitimme L-rhodosamiinin antrasykliiniin kaksinkertaisella sidoksella käyttäen glykosyylitransferaasia SnogD ja α-ketoglutaraattista riippuvaista oksygenaasia SnoK. Työni paljasti, että nogalamysiinin bioaktiivisuuden kannalta kriittisen 2'' hydroksylaatioryhmän asettaa paikalle Rieske entsyymi SnoT. Tutkielmani selvitti myös myöhäisen vaiheen muokkausreaktion järjestyksen, missä ensin tapahtuu SnoT proteiinin katalysoima 2'' hydroksylaatio, minkä jälkeen SnoK entsyymi katalysoi 2–5'' karbosyklisaatiota ja SnoN proteiini 4'' epimerisaatiota.
Käytin kimerageneesi-menetelmää selvittääkseni eri antrasykliinien biosynteesiin liittyvien metyylitransferaasien ja α-ketoglutaraattista riippuvaisten oksygenaasien evoluutiota. Työni selvitti kuinka 4'' epimeraasi SnoN on muodostunut muinaisen 2–5'' karbosyklaasin SnoK tuotosta vastaavan geenin kahdentumisen ja funktionaalisen erilaistumisen seurauksena. Tämä on erilainen kuin mitä on tapahtunut 10–dekarboksylaasin TamK ja 10–hydroksylaasin RdmB kohdalla, missä proteiinien evoluution on tapahtunut 4–O–metyylitransferaasi DnrK proteiinista ilman geenien kahdentumista. Työni kuvaa kuinka hyvin pienet muutokset biosynteesistä vastuussa olevissa proteiineissa voivat johtaa antrasykliinien monimuotoisuuden kasvuun.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2869]