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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제5권2호
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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.
Sporopollenin is a poorly characterized mixed aliphatic and aromatic polymer with ester and ether linkages. Recent studies have reported that α-pyrone polyketide compounds generated by Arabidopsis thaliana, polyketide synthase A (PKSA) and tetraketide α-pyrone reductase 1 (TKPR1), are previously unknown sporopollenin precursors. Here, the yeast Saccharomyces cerevisiae was introduced to test potential sporopollenin biosynthetic pathways in vivo. A PKSA/TKPR1 dual expressor was generated and various chain-length alkyl α-pyrones were identified by GC-MS. The growth rate of the strain containing PKSA/TKPR1 appeared normal. These results indicate that PKSA/TKPR1-expressing yeast would be a starting platform to investigate in vivo sporopollenin metabolism.
UK-58,852의 생합성에 관여하는 유전자를 분리하기 위해 Actinomadura roseorufa의 genomic DNA와 E. coli-Streptomyces shuttle cosmid vector인 pOJ446이 genomic library를 만들었다. Genomic library는 dehydratase PCR product와 eryA 유전자를 probe로 하여 sugar 생합성 유전자와 polyketide typel 유전자가 집단으로 존재하는 cosmid pHD54를 분리하였고, 이를 제한 효소인 BamHI, SmaI와 Sonicater를 이용해서 subcloning 하였다. 이들의 염기서열을 부분 분석한 결과, polyketide 생합성에 관여하는 ketoacyl synthase, methylmalonyl acyltransferase, ketoreductase, enolreductase 그리고 PKS loading domain 등 polyketide synthase type I 임을 보여주고 있고, BLAST 분석된 결과를 보면 polyketide synthase 유전자는 rifamycin 생합성 유전자와 유사성이 높다. 그리고 sugar 생합성에 관여하는 유전자로는 oxidoreductase, dTDP-D-glucose 4,6 dehydratase, dTDP-D-glucose synthase 그리고 dTDP-4-keto-6-deoxy-D-glycose 3,5-epimerase으로 구성된 gene cluster를 확인하였다. 그리고 염기서열 분석된 유전자중 dTDP-D-glucose synthase를 발현하여 유전자의 기능을 확인하였다.
Fungal secondary metabolites constitute a wide variety of compounds which either playa vital role in agricultural, pharmaceutical and industrial contexts, or have devastating effects on agriculture, animal and human affairs by virtue of their toxigenicity. Owing to their beneficial and deleterious characteristics, these complex compounds and the genes responsible for their synthesis have been the subjects of extensive investigation by microbiologists and pharmacologists. A majority of the fungal secondary metabolic genes are classified as type I polyketide synthases (PKS) which are often clustered with other secondary metabolism related genes. In this review we discuss on the significance of our recent discovery of chalcone synthase (CHS) genes belonging to the type III PKS superfamily in an industrially important fungus, Aspergillus oryzae. CHS genes are known to playa vital role in the biosynthesis of flavonoids in plants. A comparative genome analyses revealed the unique character of A. oryzae with four CHS-like genes (csyA, csyB, csyC and csyD) amongst other Aspergilli (Aspergillus nidulans and Aspergillus fumigatus) which contained none of the CHS-like genes. Some other fungi such as Neurospora crassa, Fusarium graminearum, Magnaporthe grisea, Podospora anserina and Phanerochaete chrysosporium also contained putative type III PKSs, with a phylogenic distinction from bacteria and plants. The enzymatically active nature of these newly discovered homologues is expected owing to the conservation in the catalytic residues across the different species of plants and fungi, and also by the fact that a majority of these genes (csyA, csyB and csyD) were expressed in A. oryzae. While this finding brings filamentous fungi closer to plants and bacteria which until recently were the only ones considered to possess the type III PKSs, the presence of putative genes encoding other principal enzymes involved in the phenylpropanoid and flavonoid biosynthesis (viz., phenylalanine ammonia-lyase, cinnamic acid hydroxylase and p-coumarate CoA ligase) in the A. oryzae genome undoubtedly prove the extent of its metabolic diversity. Since many of these genes have not been identified earlier, knowledge on their corresponding products or activities remain undeciphered. In future, it is anticipated that these enzymes may be reasonable targets for metabolic engineering in fungi to produce agriculturally and nutritionally important metabolites.
Dihydrochalcomycin (GERI-155), produced by Streptomyces sp. KCTC-0041BP isolated from Korean soil, is a 16-membered macrolide antibiotic consisting of two deoxysugar moieties at C-5 and C-20 positions of a branched lactone ring. The cloning and sequencing of a gene cluster for dihydrochalcomycin biosynthesis revealed a 63-kb nucleotide region containing 25 open reading frames (ORFs). The products of all of these 25 ORFs playa role in dihydrochalcomycin biosynthesis and self-resistance against the compounds synthesized. At the core of this cluster lies a 39.6-kb polyketide synthase (PKS) region encoding eight modules in five giant multifunctional protein-coding genes (gerSI-SV). The genes responsible for the biosynthesis of deoxysugar moieties, D-chalcose and D-mycinose, and their modification and attachment were found on either side of this PKS region. The involvement of this gene cluster in dihydrochalcomycin biosynthesis was confirmed by disruption of the dehydratase (DH) domain in module 3 of the PKS gene and by metabolite analysis.
The polyene antibiotics including nystatin, pimaricin, amphotericin and candicidin are a family of most promising antifungal polyketide compounds, typically produced by rare actinomycetes species. The biosynthetic gene clusters for these polyenes have been previously investigated, revealing the presence of highly homologous biosynthetic genes among polyene-producers such as polyketide synthase (PKS) and cytochrome P450 hydroxylase (CYP) genes. Based on amino acid sequence alignment among actinomycetes CYP genes, the highly-conserved regions specific for only polyene CYP genes were identified and chosen for degenerate PCR primers, followed by the PCR-screening with various actinomycetes genomic DNAs. Among tested several polyene non-producing actinomycetes strains, Pseudonorcardia autotrophica strain was selected based on the presence of PCR product with polyene-specific CYP gene primers, and then confirmed to contain a cryptic novel polyene hydroxylase gene in the chromosome. These results suggest that the polyene-specific hydroxylase gene PCR should be an efficient way of screening and isolating potentially-valuable cryptic polyene antibiotic biosynthetic genes from various microorganisms including rare actinomycetes.
The epipyrone (EPN) biosynthetic gene cluster of Epicoccum nigrum is composed of epnC, epnB, and epnA, which encode cytochrome P450 oxidase, glycosyltransferase, and highly reducing polyketide synthase, respectively. Gene inactivation mutants for epnA, epnB, and epnC were previously generated, and it was found that all of them were incapable of producing EPN and any of its related compounds. It was also reported that epnB inactivation abolished epnA transcription, generating ΔepnAB. This study shows that the introduction of native epnC readily restored EPN production in ΔepnC, suggesting that epnC is essential for polyketide release from EpnA and implies that EpnC works during the polyketide chain assembly of EpnA. Introduction of epnC promoter-epnA restored EPN production in ΔepnA. The ΔepnB genotype was prepared by introducing the epnA expression vector into ΔepnAB, and it was found that the resulting recombinant strain did not produce any EPN-related compounds. A canonical epnB inactivation strain was also generated by deleting its 5'-end. At the deletion point, an Aspergllus nidulans gpdA promoter was inserted to ensure the transcription of epnA, which is located downstream of epnB. Examination of the metabolite profile of the resulting ΔepnB mutant via LC-mass spectrometry verified that no EPN-related compound was produced in this strain. This substantiates that C-glycosylation by EpnB is a prerequisite for the release of EpnA-tethered product. In conclusion, it is proposed that cytochrome P450 oxidase and glycosyltransferase work in concert with polyketide synthase to generate EPN without the occurrence of any free intermediates.
Actinorhodin antibiotics produced by Streptomyces lividans TK24 are blue pigments with a weak antibiotic activity, derived from one acetyl-CoA and 15 malonyl-CoA units via a typical ployketide pathway. In an attempt to clone polyketide biosynthetic genes of S. lividans TK24, hybridizing fragments in the genomic DNA of S. lividans TK24 were detected by use of acn and act III polyketide synthase gene probes. Since typical aromatic polyketide bio-synthetic gene clusters are roughly 22-34 Kb long, we constructed in E. coli XL-Blue MR using the Streptomyces-E. coli bifunctional shuttle cosmid vector (pojn46). Then, about 5,000 individual E. coii colonies were thor-oughly screened with acrl-ORFI and actIII probes. From these cosmid libra-ries, 12 positive clones were identified. Restriction analysis and southern hybridization showed two polyketide biosynthetic gene clusters in this organism. These cosmid clones can be transformed into Streptomyces parvulus 12434 for expression test that identify product of actinorhodin biosynthetic genes by heterologous expression. Thus, heterologous expres-sion of a derivative compound of a actinorhodin biosynthetic intermediate was obtained in pKE2430. Expression of these compounds by the trans-formants was detected by photodiode array HPLC analysis of crude extracts.
Kim, Jung-Eun;Kim, Jin-Cheol;Jin, Jian-Ming;Yun, Sung-Hwan;Lee, Yin-Won
The Plant Pathology Journal
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제24권1호
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pp.8-16
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2008
Aurofusarin is a polyketide pigment produced by some Fusarium species. The PKS12 and GIP1 genes, which encode a putative type I polyketide synthase (PKS) and a fungal laccase, respectively, are known to be required for aurofusarin biosynthesis in Gibberella zeae (anamorph: Fusarium graminearum). The ten additional genes, which are located within a 30 kb region of PKS12 and GIP1 and regulated by a putative transcription factor (GIP2), organize the aurofusarin biosynthetic cluster. To determine if they are essential for aurofusarin production in G. zeae, we have employed targeted gene deletion, complementation, and chemical analyses. GIP7, which encodes O-methyltransferase, is confirmed to be required for the conversion of norrubrofusarin to rubrofusarin, an intermediate of aurofusarin. GIP1-, GIP3-, and GIP8-deleted strains accumulated rubrofusarin, indicating those gene products are essential enzymes for the conversion of rubrofusarin to aurofusarin. Based on the phenotypic changes in the gene deletion strains examined, we propose a possible pathway for aurofusarin biosynthesis in G. zeae. Our results would provide important information for better understanding of naphthoquinone biosynthesis in other fdarnentous fungi as well as the aurofusarin biosynthesis in G. zeae.
The cephabacins produced by Lysobacter lactamgenus are ${\beta}$-lactam antibiotics composed of a cephem nucleus, an acetate residue, and an oligopeptide side chain. In order to understand the precise implication of the polyketide synthase (PKS) module in the biosynthesis of cephabacin, the genes for its core domains, ${\beta}$-ketoacyl synthase (KS), acyltransferase (AT), and acyl carrier protein (ACP), were amplified and cloned into the pET-32b(+) expression vector. The sfp gene encoding a protein that can modify apo-ACP to its active holo-form was also amplified. The recombinant KS, AT, apo-ACP, and Sfp overproduced in the form of $His_6$-tagged fusion proteins in E. coli BL21(DE3) were purified by nickel-affinity chromatography. Formation of stable peptidyl-S-KS was observed by in vitro acylation of the KS domain with the substrate [L-Ala-L-Ala-L-Ala-L-$^3H$-Arg] tetrapeptide-S-N-acetylcysteamine, which is the evidence for the selective recognition of tetrapeptide produced by nonribosomal peptide synthetase (NRPS) in the NRPS/PKS hybrid. In order to confirm whether malonyl CoA is the extender unit for acetylation of the peptidyl moiety, the AT domain, ACP domain, and Sfp protein were treated with $^{14}C$-malonyl-CoA. The results clearly show that the AT domain is able to recognize the extender unit and decarboxylatively acetylated for the elongation of the tetrapeptide. However, the transfer of the activated acetyl group to the ACP domain was not observed, probably attributed to the improper capability of Sfp to activate apo-ACP to the holo-ACP form.
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