The 63-amino-acid-encoding afsR2 is a global antibiotics-stimulating regulatory gene identified from the chromosome of Streptomyces lividans. To dissect a putative functional domain in afsR2, several afsR2-derivative deletion constructs were generated and screened for the loss of actinorhodin-stimulating capability. The afsR2-derivative construct missing a 50-bp C-terminal region significantly lost its actinorhodin-stimulating capability in S. lividans. In addition, site-directed mutagenesis on amino acid positions of #57-#61 in a 50-bp C-terminal region, some of which are conserved among known Sigma 70 family proteins, significantly changed the AfsR2's activity. These results imply that the C-terminal region of AfsR2 is functionally important for antibiotics-stimulating capability and the regulatory mechanism might be somehow related to the sigma-like domain present in the C-terminal of AfsR2.
Most of the biosynthetic pathways for secondary metabolites are influenced by carbon metabolism and supply of cytosolic NADPH. We engineered carbon distribution to the pentose phosphate pathway (PPP) and redesigned the host to produce high levels of NADPH and primary intermediates from the PPP. The main enzymes producing NADPH in the PPP, glucose 6-phosphate dehydrogenase (encoded by zwf1 and zwf2) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (encoded by zwf3), were overexpressed with opc encoding a positive allosteric effector essential for Zwf activity in various combinations in Streptomyces lividans TK24. Most S. lividans transformants showed better cell growth and higher concentration of cytosolic NADPH than those of the control, and S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 containing zwf2+zwf3+opc2 showed the highest NADPH concentration but poor sporulation in R2YE medium. S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 in minimal medium showed the maximum growth (6.2 mg/ml) at day 4. Thereafter, a gradual decrease of biomass and a sharp increase of cytosolic NADPH and sedoheptulose 7-phosphate between days 2 and 4 and between days 1 and 3, respectively, were observed. Moreover, S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 produced 0.9 times less actinorhodin but 1.8 times more undecylprodigiosin than the control. These results suggested that the increased NADPH concentration and various intermediates from the PPP specifically triggered undecylprodigiosin biosynthesis that required many precursors and NADPH-dependent reduction reaction. This study is the first report on bespoke metabolic engineering of PPP routes especially suitable for producing secondary metabolites that need diverse primary precursors and NADPH, which is useful information for metabolic engineering in Streptomyces.
In vitro phosphorylation experiments with a cell extract of Streptomyces coelicolor A3(2) M130 in the presence of ${\gamma}-[^32P]$]ATP revealed the presence of multiple phosphorylated proteins, including the AfsR/AfsK kinases which control the biosynthesis of A-factor, actinorhodin, and undecylprodigiosin. Phosphorylation of AfsR by a cell extract as an AfsK source was significantly inhibited by Ser/Thr protein kinase inhibitors, staurosporine and K-252a, at concentrations giving 50% inhibition ($IC_50$) of $1{\mu}M\;and\;0.1{\mu}M$, respectively. Further in vitro experiments with the cell extracts showed that phosphorylation of multiple proteins was inhibited by various protein kinase inhibitors with different inhibitory profiles. Manganese and calcium ions in the reaction mixture also modulate phosphorylation of multiple proteins. Manganese at 10 mM greatly enhanced the phosphorylation and partially circumvented the inhibition caused by staurosporine and K-252a. A calcium-activated protein kinase(s) was little affected by these inhibitors. Herbimycin and radicicol, which are known as tyrosine kinase inhibitors, did not show any significant inhibition of AfsR phosphorylation. Consistent with the in vitro effect of the kinase inhibitors, they inhibited aerial mycelium formation and pigmented antibiotic production on solid media. On the contrary, when assayed in liquid culture, the amount of actinorhodin produced was increased by staurosporine and K-252a and greatly decreased by manganese. All of these data clearly show that the genus Streptomyces possesses several protein kinases of eukaryotic types which are involved in the regulatory network for morphogenesis and secondary metabolism.
This study focused on the involvement of the unusual nucleotide (p)ppGpp, a stringent factor, during the morphological and physiological differentiation of Streptomyces coelicolor. Two genes, relA and rshA, were disrupted to demonstrate the roles of the stringent factor in the differentiation. The intracellular concentration of (p)ppGpp in the wild-type (M600) and disrupted mutants was measured in relation to the intentional starvation of a specific nutrient, such as carbon, nitrogen, and phosphate or the in situ depletion of nutrients in a batch culture. As a result, it was found that the morphological characteristic of the ${\Delta}relA$ mutant was a bld phenotype forming condensed mycelia, whereas the ${\Delta}rshA$ mutant grew fast-forming spores and straightforward mycelia. In both mutants, the production of actinorhodin (Act) was completely abolished, yet the undecylprodigiosin (Red) production was increased. Intracellular (p)ppGpp was detected in the ${\Delta}relA$ mutant in the case of limited phosphate, yet not with limited carbon or nitrogen sources. In contrast, (p)ppGpp was produced in the ${\Delta}rshA$ mutant under limited carbon and nitrogen conditions. Therefore, (p)ppGpp in S. coelicolor was found to be selectively regulated by either the RelA or RshA protein, which was differentially expressed in response to the specific nutrient limitation. These results were also supported by the in situ ppGpp production during a batch culture. Furthermore, it is suggested that RelA and RshA are bifunctional proteins that possess the ability to both synthesize and hydrolyze (p)ppGpp.
Streptomyces coelicolor is a filamentous soil bacterium producing several kinds of antibiotics. S. coelicolor abs8752 is an abs (antibiotic synthesis deficient)-type mutation at the absR locus; it is characterized by an incapacity to produce any of the four antibiotics synthesized by its parental strain J1501. A chromosomal DNA fragment from S. coelicolor J1501, capable of complementing the abs- phenotype of the abs8752 mutant, was cloned and analyzed. DNA sequencing revealed that two complete ORFs (SCO6992 and SCO6993) were present in opposite directions in the clone. Introduction of SCO6992 in the mutant strain resulted in a remarkable increase in the production of two pigmented antibiotics, actinorhodin and undecylprodigiosin, in S. coelicolor J1501 and abs8752. However, introduction of SCO6993 did not show any significant difference compared to the control, suggesting that SCO6992 is primarily involved in stimulating the biosynthesis of antibiotics in S. coelicolor. In silico analysis of SCO6992 (359 aa, 39.5 kDa) revealed that sequences homologous to SCO6992 were all annotated as hypothetical proteins. Although a metalloprotease domain with a conserved metal-binding motif was found in SCO6992, the recombinant rSCO6992 did not show any protease activity. Instead, it showed very strong β-glucuronidase activity in an API ZYM assay and toward two artificial substrates, p-nitrophenyl-β-D-glucuronide and AS-BI-β-D-glucuronide. The binding between rSCO6992 and Zn2+ was confirmed by circular dichroism spectroscopy. We report for the first time that SCO6992 is a novel protein with β-glucuronidase activity, that has a distinct primary structure and physiological role from those of previously reported β-glucuronidases.
Kim, Yoon-Jung;Sa, Soon-Ok;Chang, Yong-Keun;Hong, Soon-Kwang;Hong, Young-Soo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.17
no.12
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pp.2066-2070
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2007
It was found that Shinorhizobium meliloti hemoprotein (SM) was more effective than Vitreoscilla hemoglobin (Vhb) in promoting secondary metabolites production when overexpressed in Streptomyces lividans TK24. The transformant with sm (sm-transformant) produced 2.7-times and 3-times larger amounts of actinorhodin than the vhb-transformant in solid culture and flask culture, respectively. In both solid and flask cultures, a larger amount of undecylprodigiocin was produced by the sm-transformant. It is considered that the overexpression of SM especially has activated the pentose phosphate pathway through oxidative stress, as evidenced by an increased NADPH production observed, and that it has promoted secondary metabolites biosynthesis.
AfsR2, originally identified from Streptomyces lividans, is a global regulatory protein which stimulates antibiotic biosynthesis. Through its stable chromosomal integration, the high level of gene expression of afsR2 significantly induced antibiotic production as well as the sporulation of S. lividans, implying the presence of yet-uncharacterized AfsR2-target proteins. To identify and evaluate the putative AfsR2-target proteins involved in antibiotic regulation, the proteomics-driven approach was applied to the wild-type S. lividans and the afsR2-integrated actinorhodin overproducing strain. The 20 gel-electrophoresis gave approximately 340 protein spots showing different protein expression patterns between these two S. lividans strains. Further MALDI-TOF analysis revealed several AfsR2-target proteins, including glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, putative phosphate transport system regulator, guanosine penta phosphate synthetase/polyribonucleotide nucleotidyltransferase, and superoxide dismutase, which suggests that the AfsR2 should be a pleiotropic regulatory protein which controls differential expressions of various kinds of genes in Streptomyces species.
Kim Kwang-Pyo;Shin Choon-Shik;Lee Soo-Jae;Kim Ji-Hye;Young Jung-Mo;Lee Yu-Kyung;Ahn Joong-Hoon;Suh Joo-Won;Lim Yoong-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.16
no.5
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pp.799-803
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2006
It was reported that an accumulation of Sadenosyl-L-methionine increases production of actinorhodin in Streptomyces lividans and induces antibiotic biosynthetic genes. We also obtained the same result in Streptomyces coelicolor A3(2). Therefore, in order to identify proteins changed by the addition of S-adenosyl-L-methionine in S. coelicolor A3(2), LC/MS/MS analyses were carried out. Thirteen proteins that were not observed in the control were found.
Avermectin and its analogs are major commercial antiparasitic agents in the fields of animal health, agriculture, and human infections. Previously, comparative transcriptome analysis between the low-producer S. avermitilis ATCC31267 and the high-producer S. avermitilis ATCC31780 using a S. avermitilis whole genome chip revealed that 50 genes were overexpressed at least two-fold higher in S. avermitilis ATCC31780. To verify the biological significance of some of the transcriptomics-guided targets, five putative regulatory genes were individually cloned under the strong-and-constitutive promoter of the Streptomyces expression vector pSE34, followed by the transformation into the low-producer S. avermitilis ATCC31267. Among the putative genes tested, three regulatory genes including SAV213, SAV3818, and SAV4023 exhibited stimulatory effects on avermectin production in S. avermitilis ATCC31267. Moreover, overexpression of SAV3818 also stimulated actinorhodin production in both S. coelicolor M145 and S. lividans TK21, implying that the SAV3818, a putative TetR-family transcriptional regulator, could be a global upregulator acting in antibiotic production in Streptomyces species.
JOO-WON SUH;KWON, HYOUNG-JIN;C.R. HUTCHINSON;HYUNG-JONG JIN;SOO-UN KIM;KYE-JOON LEE
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.5
no.2
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pp.74-79
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1995
Sequence analysis of a DNA region encompassing the site of hybridization to actl, the gene for type II minimal polyketide synthase (PKS) for actinorhodin biosynthesis, from Streptomyces ablus revealed three more complete open reading frames additional to the already found two genes, plausibly encoding ${\beta}-ketoacyl$ synthase/acyl transferase (KS/AT) and chain length determining factor (ClF). The open reading frames (ORFs) were named salA, salD, and salE, from the upstream. In the homology analysis of the deduced amino acid sequences, SalA resembles the Streptomyces glaucescens Tcml, decaketide cyclase, SalD resembles acyl carrier protein in type II PKS, and SalE resembles the Actlll ketoreductase, The whole 4.4 kb of DNA sequence obeys the same conservation pattern as other type II PKSs. Therefore, we suggest that the 4.4 kb DNA from Streptomyces albus encompasses genes encoding enzymes for polyketide biogenesis in the organism and its organization is type II. The exsitence of SaIA, an analogue of the aromatic cyclase, revealed a relatedness of the 4.4 kb DNA with the aromatic PKS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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