Reconstitution of polythioamide antibiotic backbone formation reveals unusual thiotemplated assembly strategy

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Dunbar KL, Dell M, Gude F, Hertweck C.

Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Apr 21;117(16):8850-8858.

doi: 10.1073/pnas.1918759117. Epub 2020 Apr 7. PMID: 32265283; PMCID: PMC7183216.

Reconstitution of polythioamide antibiotic backbone formation reveals unusual thiotemplated assembly strategy
Nonribosomal peptides (NRPs) are a vast class of natural products and an important source of therapeutics. Typically, these secondary metabolites are assembled ...

 非リボソームペプチド(NRP)は、無数の生物学的活性を示す二次代謝物の構造的に多様なクラスを構成している。NRP は、広大な天然物の一群であり、治療薬の重要な供給源である。NRP が占める化学空間は大きいが、大部分は共通の生合成起源を持っている。一般的に、このような化合物は、多種類のチオ型NRP合成酵素(NRPS)によって生合成される。しかし、過去10年の間に、NRPはNRPSに依存しない経路でも組み立てられることが明らかになってきた。2つの顕著な例は、siderophoreとdiketopiperazineの生合成に関与するamide synthaseである。どちらの経路においても、peptide ligaseは非チオ型基質に機能するが、カルボキシレート活性化の戦略が異なる。siderophore amide synthetaseはATPを用いて基質のcarboxylic acidをadenylateとして活性化する一方、diketopiperazine amide synthaseはアシルtRNAの形であらかじめ活性化されたアミノ酸を用いることでATPの必要性を回避している。これらの広範なNRPSに依存しない経路から離れた、非チオ型peptide ligaseもいくつか同定されている。

 特徴づけられた NRP 生合成経路の数の増加に伴い、パターンが明らかになってきた。チオ型経路は NRPS 依存性だが、自立したpeptide ligaseを使用しているものは非チオ型されている。しかし最近、closthioamideの、チオ型でありがらも NRPS に依存しない生合成経路が発見されたことで、注目すべき例外が生じた。closthioamideは、薬剤耐性株を含む臨床的に重要な細菌病原体に対して強力な阻害活性を有する DNA gyrase 標的抗生物質であり、チオアミド化NRPの珍しい例である。この珍しい銅キレートNRPはRuminiclostridium cellulolyticum DSM 5812によって産生されており、嫌気性細菌から単離された数少ない天然物の一つである。ノックアウト研究とin vitro生化学的アッセイにより、生合成に関与する酵素がいくつか同定されたが、closthioamideのアミド骨格の組立のための生合成戦略は謎のままであった。

 ここで我々は、バイオインフォマティクスとin vitro生化学アッセイを組み合わせて、closthioamideの成熟における非定型的なアミド骨格生合成経路を解明した。我々は、アミドの形成がチオテンプレート化され、ATP保持タンパク質とシステインプロテアーゼタンパク質ファミリーの新規メンバーによって触媒されていることを示す。また、ATP保持タンパク質をバイオインフォマティクスに用いることで、同様のチオ型NRPS非依存性の経路がActinobacteriaやFirmicutesにも広く存在することを証明した。本研究で得られたデータは、closthioamide成熟の初期段階の解読に加えて、NRPSに依存しないアミド集合体のパラダイムを提供するものであり、このような非定型的なチオテンプレートパスウェイのための将来のゲノムマイニングの取り組みに情報を提供するものである。

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