バイモジュラーポリケチドシンターゼを使用したレジオセレクト修飾芳香族ポリケチドの操作された生合成

テトラサイクリンやドキソルビシンなどの細菌の芳香族ポリケチドは、アクチノマイセス細菌によって二次代謝産物として生産される自然産物の薬物的に重要なクラスです。それらのバックボーンは、ポリケチドシンターゼ（PKS）によってマロニルCoAユニットに由来しています。新生のポリケチド鎖は、4つの解離酵素で構成されるモジュールである最小PKSによって合成されます。ほとんどの芳香族ポリケチド骨格の生合成は、マロニルビルディングブロック（アセテート基になる）の脱炭酸を介して開始されますが、エストロゲン受容体拮抗薬R1128などの一部のポリケチドは非酢酸プライマーに由来します。非酢酸プライミングのメカニズムを理解することで、薬理学的特性が改善された新規ポリケチドの生合成につながる可能性があります。最近の生化学分析では、非酢酸プライミングは、直交分子認識の特徴を備えた2つの解離したPKモジュールの段階的活性の結果であることが示されています。これらのPKSでは、最小限のPKSモジュールに加えて、スターターユニットを合成する開始モジュールが存在します。ここでは、位置選択化された芳香族ポリケチドの操作された生合成の一般的な方法について説明します。R1128開始モジュールと共発現すると、Actinorhodin Minimal PKSは、プロピオニルおよびイソブチリルプライマーユニットを備えた新規ヘキサケチドを生成しました。類似のオクタケチドは、テトラセノマイシンの最小PKをR1128開始モジュールと組み合わせることで合成できます。ケトレダクターゼやシクラーゼなどの調整酵素は、不自然なポリケチドを効率的に処理することができました。これらの発見に基づいて、ハイブリッドPKSは、予測可能な機能群修飾を備えた新しいアントラキノン抗生物質を合成するように設計されました。我々の結果は、（i）バイモジュラー芳香族PKSが非酢酸前駆体で芳香族ポリケチド骨格をプライミングするための一般的なメカニズムを提示することを示しています。（ii）最小限のPKは、伸長サイクルの数ではなくバックボーンに組み込まれた原子の数をカウントすることにより、ポリケチド鎖の長さを制御します。（iii）対照的に、ケトレダクターゼ、アロマターゼ、シクラーゼなどの補助PKS酵素は、全体的な鎖長ではなく、バックボーンの特定の官能基を認識します。この研究で設計されたアントラサイクリンの中には、（I）乳癌細胞株MCF-7に対するR1128よりも優れた活性を持つ化合物と、（II）II型の治療の魅力的な標的であるグルコース-6-リン酸トランスリカーゼに対する阻害活性を持つ化合物がありました。糖尿病。

Bacterial aromatic polyketides such as tetracycline and doxorubicin are a medicinally important class of natural products produced as secondary metabolites by actinomyces bacteria. Their backbones are derived from malonyl-CoA units by polyketide synthases (PKSs). The nascent polyketide chain is synthesized by the minimal PKS, a module consisting of four dissociated enzymes. Although the biosynthesis of most aromatic polyketide backbones is initiated through decarboxylation of a malonyl building block (which results in an acetate group), some polyketides, such as the estrogen receptor antagonist R1128, are derived from nonacetate primers. Understanding the mechanism of nonacetate priming can lead to biosynthesis of novel polyketides that have improved pharmacological properties. Recent biochemical analysis has shown that nonacetate priming is the result of stepwise activity of two dissociated PKS modules with orthogonal molecular recognition features. In these PKSs, an initiation module that synthesizes a starter unit is present in addition to the minimal PKS module. Here we describe a general method for the engineered biosynthesis of regioselectively modified aromatic polyketides. When coexpressed with the R1128 initiation module, the actinorhodin minimal PKS produced novel hexaketides with propionyl and isobutyryl primer units. Analogous octaketides could be synthesized by combining the tetracenomycin minimal PKS with the R1128 initiation module. Tailoring enzymes such as ketoreductases and cyclases were able to process the unnatural polyketides efficiently. Based upon these findings, hybrid PKSs were engineered to synthesize new anthraquinone antibiotics with predictable functional group modifications. Our results demonstrate that (i) bimodular aromatic PKSs present a general mechanism for priming aromatic polyketide backbones with nonacetate precursors; (ii) the minimal PKS controls polyketide chain length by counting the number of atoms incorporated into the backbone rather than the number of elongation cycles; and (iii) in contrast, auxiliary PKS enzymes such as ketoreductases, aromatases, and cyclases recognize specific functional groups in the backbone rather than overall chain length. Among the anthracyclines engineered in this study were compounds with (i) more superior activity than R1128 against the breast cancer cell line MCF-7 and (ii) inhibitory activity against glucose-6-phosphate translocase, an attractive target for the treatment of Type II diabetes.