Streptomyces argenteolus ATCC 11009におけるカルバペネムMM 4550とその遺伝子クラスターの同定と特徴付け

Identification and characterization of the carbapenem MM 4550 and its gene cluster in Streptomyces argenteolus ATCC 11009.

• Rongfeng Li
• Evan P Lloyd
• Kristos A Moshos
• Craig A Townsend

抄録

天然に存在するカルバペネムβ-ラクタム系抗生物質は50種類近くあり、そのほとんどがストレプトマイセスによって産生されていることが確認されている。これらの化合物の構造的多様性は、C-2とC-6の側鎖の多様性とC-5/C-6の立体化学の違いに限られています。これらの構造モチーフは、抗生物質の効果と生合成の両方に関心があります。チエナマイシン遺伝子クラスターは、このグループの中で唯一公開されている活性遺伝子クラスターであるが、これらの構造的差異の遺伝的基盤を理解するためには、より多くの比較情報が必要である。本研究では、Streptomyces argenteolus ATCC 11009が産生する主要なカルバペネムとして、オリバン酸の一種であるMM 4550を同定したことを報告する。また、その遺伝子クラスターは、変性PCRと標的遺伝子不活性化により同定された。配列解析の結果、二環式コアの生合成をコードする遺伝子とC-6およびC-2側鎖の生合成をコードする遺伝子は、MM 4550およびチエナマイシン遺伝子クラスターによく保存されていることが明らかになった。その結果、MM 4550のスルホン化とエピマー化における機能が示唆された。遺伝子の不活性化により、cmmIに加えて、MM4550の産生を制御していると考えられる2成分応答系をコードする2つの新しい遺伝子、cmm22と-23が発見された。cmmI、cmm22、およびcmm23を過剰発現させるとMM 4550の産生が促進されることが明らかになった。最後に、バイオインフォマティクス解析、遺伝子の不活性化、および破壊変異体の解析結果に基づいて、MM 4550クラスターにおけるすべての遺伝子の関与と仮定される役割を提案する。全体として、チエナマイシンとMM 4550遺伝子クラスターの違いは、特徴的な構造要素に反映されており、複雑なカルバペネムの生合成についての新たな知見を提供している。

Nearly 50 naturally occurring carbapenem β-lactam antibiotics, most produced by Streptomyces, have been identified. The structural diversity of these compounds is limited to variance of the C-2 and C-6 side chains as well as the stereochemistry at C-5/C-6. These structural motifs are of interest both for their antibiotic effects and their biosynthesis. Although the thienamycin gene cluster is the only active gene cluster publically available in this group, more comparative information is needed to understand the genetic basis of these structural differences. We report here the identification of MM 4550, a member of the olivanic acids, as the major carbapenem produced by Streptomyces argenteolus ATCC 11009. Its gene cluster was also identified by degenerate PCR and targeted gene inactivation. Sequence analysis revealed that the genes encoding the biosynthesis of the bicyclic core and the C-6 and C-2 side chains are well conserved in the MM 4550 and thienamycin gene clusters. Three new genes, cmmSu, cmm17 and cmmPah were found in the new cluster, and their putative functions in the sulfonation and epimerization of MM 4550 are proposed. Gene inactivation showed that, in addition to cmmI, two new genes, cmm22 and -23, encode a two-component response system thought to regulate the production of MM 4550. Overexpression of cmmI, cmm22 and cmm23 promoted MM 4550 production in an engineered strain. Finally, the involvement and putative roles of all genes in the MM 4550 cluster are proposed based on the results of bioinformatics analysis, gene inactivation, and analysis of disruption mutants. Overall, the differences between the thienamycin and MM 4550 gene clusters are reflected in characteristic structural elements and provide new insights into the biosynthesis of the complex carbapenems.

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