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放线菌哌嗪代谢的生物信息学和功能评估。

Bioinformatic and Functional Evaluation of Actinobacterial Piperazate Metabolism.

机构信息

Department of Biology , Washington University in St. Louis , 1 Brookings Drive , St. Louis , Missouri 63130 , United States.

出版信息

ACS Chem Biol. 2019 Apr 19;14(4):696-703. doi: 10.1021/acschembio.8b01086. Epub 2019 Apr 9.

Abstract

Piperazate (Piz) is a nonproteinogenic amino acid noted for its unusual N-N bond motif. Piz is a proline mimic that imparts conformational rigidity to peptides. Consequently, piperazyl molecules are often bioactive and desirable for therapeutic exploration. The in vitro characterization of Kutzneria enzymes KtzI and KtzT recently led to a biosynthetic pathway for Piz. However, Piz anabolism in vivo has remained completely uncharacterized. Herein, we describe the systematic interrogation of actinobacterial Piz metabolism using a combination of bioinformatics, genetics, and select biochemistry. Following studies in Streptomyces flaveolus, Streptomyces lividans, and several environmental Streptomyces isolates, our data suggest that KtzI-type enzymes are conditionally dispensable for Piz production. We also demonstrate the feasibility of Piz monomer production using engineered actinobacteria for the first time. Finally, we show that some actinobacteria employ fused KtzI-KtzT chimeric enzymes to produce Piz. Our findings have implications for future piperazyl drug discovery, pathway engineering, and fine chemical bioproduction.

摘要

哌嗪酸(Piz)是一种非蛋白氨基酸,以其不寻常的 N-N 键模式为特征。Piz 是脯氨酸类似物,可赋予肽构象刚性。因此,哌嗪基分子通常具有生物活性,是治疗探索的理想选择。最近,Kutzneria 酶 KtzI 和 KtzT 的体外特性研究导致了 Piz 的生物合成途径。然而,体内 Piz 的合成代谢仍然完全没有特征。本文采用生物信息学、遗传学和选择性生物化学相结合的方法,系统研究了放线菌的 Piz 代谢。在对链霉菌属 flaveolus、链霉菌属 lividans 和几种环境链霉菌属分离株进行研究后,我们的数据表明 KtzI 型酶对于 Piz 生产是有条件可缺少的。我们还首次证明了使用工程化放线菌生产 Piz 单体的可行性。最后,我们表明一些放线菌使用融合的 KtzI-KtzT 嵌合酶来生产 Piz。我们的发现对未来的哌嗪基药物发现、途径工程和精细化工生物生产具有重要意义。

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