Exploiting gene regulation as an approach to identify, analyze and utilize the biosynthetic pathways of the glycopeptide ristomycin A and the zincophore [S,S]-EDDS in Amycolatopsis japonicum
DISSERTATION der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
vorgelegt von Marius Steffen Spohn aus Tettnang
Tübingen 2015 Exploiting gene regulation as an approach to identify, analyze and utilize the biosynthetic pathways of the glycopeptide ristomycin A and the zincophore [S,S]-EDDS in Amycolatopsis japonicum
DISSERTATION der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
vorgelegt von Marius Steffen Spohn aus Tettnang
Tübingen 2015
Erklärung
Ich erkläre hiermit, dass ich die zur Promotion eingereichte Arbeit selbständig verfasst, nur die
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und Stellen, die wörtlich oder inhaltlich nach den
Werken anderer Autoren entnommen sind, als solche gekennzeichnet habe. Eine detaillierte
Abgrenzung meiner eigenen Leistungen von den Beiträgen meiner Kooperationspartner habe Tag der mündlichen Qualifikation: 27.01.2016 ich im Anhang vorgenommen. Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel
1. Berichterstatter: PD Dr. Evi Stegmann ...... 2. Berichterstatter: Prof. Dr. Karl Forchhammer Unterschrift 3. Berichterstatter: Prof. Dr. Christian Hertweck Tübingen, den 30.11.2015
Table of content Table of content Table of content Table of content
Table of content 2.2 Identification of the [S,S]-EDDS biosynthetic genes by exploiting knowledge of zinc Zusammenfassung i dependent transcriptional regulation 16 Abstract iii 2.2.1 The zinc responsive zinc uptake regulator Zur controls the [S,S]-EDDS List of publications v biosynthesis 16 Contributions vi 2.2.2 Zur controls the high affinity zinc uptake system ZnuABC 17 Abbreviations vii 2.2.3 The rational screening of the A. japonicum Zur regulon revealed putative [S,S]- EDDS biosynthetic genes 17 1. Introduction 1 2.2.4 The transcription of the aesA-D operon is zinc responsively regulated by Zur 18 1.1 The genus Amycolatopsis: a valuable source of secondary metabolites 1 2.2.5 The aes genes are essential for [S,S]-EDDS production 19 1.2 Glycopeptide antibiotics 2 2.2.6 The [S,S]-EDDS biosynthesis as response to zinc deficiency is phylogenetically 1.2.1 Structural categorization of glycopeptides 3 clustered 19 1.2.2 Glycopeptide antibiotics biosynthesis: precursor supply 3 1.2.3 Glycopeptide antibiotics biosynthesis: assembly of the heptapeptide 4 3. Discussion 21 1.2.4 Glycopeptide antibiotics biosynthesis: modification of the heptapeptide 5 3.1 A. japonicum genome contains a silent gene cluster directing the biosynthesis of 1.2.5 Transcriptional regulation of glycopeptide biosynthesis 5 ristomycin A 21 1.3 Ionophores: naturally occurring chelating agents 6 3.2 The [S,S]-EDDS biosynthetic genes were identified by a novel approach exploiting 1.3.1 Siderophore biosynthesis 6 knowledge in the field of zinc responsive gene regulation 25 1.3.2 Metal responsive regulation of ionophore biosynthesis 6 3.2.1 [S,S]-EDDS exemplifies the rare functionally class of zinc responsive ionophores 25 1.3.2.1 The ferric uptake regulator (Fur) 7 3.2.2 Elucidation of the Zur mediated zinc regulation enabled the identification of the 1.3.2.2 The iron dependent DtxR protein family 7 [S,S]-EDDS biosynthetic genes 28 1.3.2.3 The zinc uptake regulator (Zur) 8 3.2.3 The biogenesis of [S,S]-EDDS 30 1.4 Ethylenediamine-disuccinate (EDDS) 8 3.2.4 Biotechnological [S,S]-EDDS production 31 1.5 Genome mining: an empirical strategy to discover new natural products 9 1.6 Aim of the work 12 4. References 33
2. Results 13 5. Publications 43 2.1 Activation of a silent glycopeptide gene cluster in A. japonicum 13 5.1 Publication 1 43 2.1.1 A. japonicum encodes a silent glycopeptide gene cluster 13 5.2 Publication 2 81 2.1.2 Genome sequencing and Genome mining revealed a glycopeptide gene cluster 13 5.3 Publication 3 84 2.1.3 The cluster encoded transcriptional activator AjrR is functional 14 2.1.4 Structure elucidation revealed ristomycin A as product of A. japonicum 15 2.1.5 A. japonicum ristomycin A induces in vitro platelet aggregation 15
Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung usammen assung
Zusammenfassung einen ink sensitiven egulator gew hrleistet wird ie akterielle ink om ostase wird meistens durch den glo alen ink spezi ische ranskriptionsregulator ur reguliert as ur rotein von A. Der mikrobielle Sekundärmetabolismus ist eine reichhaltige Quelle für Naturstoffe, von denen viele japonicum wurde identi iziert und detailliert charakterisiert s konnten gezeigt werden, dass urA klinische beziehungsweise industrielle Anwendung gefunden haben. Die Gattung Amycolatopsis ist die ranskription des hoch a inen inkau nahmes stems nuA A durch seine ink a h ngige für die Synthese vieler Naturstoffe bekannt. Beispielsweise werden viele Glykopeptid-Antibiotika, wie indung an spezi ische A indese uenzen reguliert iese ur indese uenzen wurden das klinisch relevante Vancomycin oder das Balhimycin, von Stämmen dieser Gattung produziert. Im verwendet, um das A. japonicum Genom nach weiteren, urA regulierten, Genen zu durchsuchen Gegensatz dazu wurde der Stamm Amycolatopsis japonicum nie als Produzent einer biologisch ies hrte zur Au indung des aesA-D perons m angreiche ranskriptions ntersuchungen aktiven Substanz beschrieben. Dieser Stamm produziert jedoch unter Zinkmangelbedingungen das erga en, dass aesA-D ink a h ngig von urA reguliert wird ie eteiligung von aesA-D an der S,S EDTA-Isomer Ethylendiamindisuccinat ([S,S]-EDDS). Diese zinkabhängige [S,S]-EDDS Produktion lässt konnte durch naktivierungsversuche nachgewiesen werden us tzlich hrte die eletion des darauf schließen, dass [S,S]-EDDS ein Zinkophor ist, das an der Zinkaufnahme beteiligt ist. inkregulators urA A. japonicum Δzur dazu, dass auch in Gegenwart von hohen ink [S,S]-EDDS weist Komplexbildungseigenschaften auf, die mit denen von EDTA vergleichbar sind. Im onzentrationen S,S in hohen engen produziert wird Gegensatz zu EDTA ist [S,S]-EDDS jedoch biologisch abbaubar. Die weitverbreitete industrielle A. japonicum Δzur ist eine er olgversprechende Ausgangs asis, um einen nachhaltigen und Anwendung von EDTA in Kombination mit dessen Unzugänglichkeit für biologische Abbauprozesse wirtscha tlich verwert aren S,S roduktionsprozess zu entwickeln, der keiner imitierung führt zu einer umweltgefährdenden EDTA-Persistenz in aquatischen Lebensräumen. Der Naturstoff durch negative in l sse von ink unterliegt [S,S]-EDDS ist deshalb ein nachhaltiger EDTA Ersatz mit einem verbesserten ökologischen ie trategie, ein vorhergesagtes, stilles Gencluster durch die xpression eines spezi ischen Fingerabdruck. egulators zu aktivieren, sowie auch die trategie, neue ios nthese Gene durch die In dieser Arbeit wurden zwei molekulargenetische Strategien entwickelt, um die Biosynthese des harakterisierung eines glo alen egulators, der spezi ische mweltsignale wahrnimmt, zu Glykopeptid-Antibiotikums Ristomycin A zu aktivieren und um die [S,S]-EDDS-Biosynthese-Gene in identi izieren, erm glichte die harakterisierung neuer atursto s nthesewege in A. japonicum A. japonicum zu identifizieren. eide Ans tze nutzen rkenntnisse er regulatorische echanismen und esitzen das otenzial Untersuchungen des genetischen Potenzials der Gattung Amycolatopsis ließen vermuten, dass auch zuk n tig angewendet zu werden, um neue atursto e und neue nthesewege zu identi izieren A. japonicum die Fähigkeit besitzt, ein Glykopeptid-Antibiotikum zu synthetisieren. Um dieses nicht exprimierte, sogenannte „stille Gencluster“ zu aktivieren, wurde ein molekulargenetischer Ansatz verwendet, bei dem der Biosynthese-spezifische Aktivator Bbr heterolog in A. japonicum exprimiert wurde. Bbr reguliert die Balhimycin-Biosynthese in Amycolatopsis balhimycina. In A. japonicum induzierte dessen Expression die Produktion von Ristomycin A, was durch HPLC-DAD, MS, MS/MS, HR-MS, und NMR-Analysen bestätigt werden konnte. Ristomycin A ist ein vielfach glykosyliertes Heptapeptid, das als Hauptwirkstoff in Diagnoseverfahren zur Bestimmung von angeborenen und weitverbreiteten Blutgerinnungsstörungen verwendet wird. Die Sequenzierung des A. japonicum Genoms und dessen computergestützte Auswertung führten zur Identifizierung des Biosynthese- Genclusters, das für die Synthese von Ristomycin A verantwortlich ist. Solche computergestützten Genomanalysen mittels verschiedenster bioinformatischen Plattformen werden heutzutage standardmäßig zur Identifizierung von Sekundärmetabolit-Gencluster angewandt, die bekannten Synthesemechanismen zugeordnet werden können. Allerdings konnten die [S,S]-EDDS-Biosynthese-Gene mit diesen Tools nicht entdeckt werden, was auf einen bislang nicht bekannten Biosynthesemechanismus hindeutet. Um diesen zu identifizieren, wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der auf der Annahme beruht, dass die Zink-reprimierte [S,S]-EDDS-Biosynthese durch
i ii i ii Abstract Abstract A stract A stract
Abstract the identi ication o the operon aesA-D xtensive transcriptional anal ses and and shi t assa s aesA-D S,S he micro ial secondar meta olism is a rich source or valua le products that have ound their wa revealed that is zinc responsivel regulated ur and involved in ios nthesis, as S,S into various clinical and industrial applications A particularl productive acterial genus or the shown inactivation studies he ios nthesis was uncoupled rom zinc repression zur S,S discover o natural products is Amycolatopsis he most re uentl reported t pe o secondar deleting his mutant sets the stage to esta lish a sustaina le production process meta olites produced this genus are gl copeptide anti iotics like alhim cin or the medicall without limits ormerl imposed zinc repression relevant vancom cin n contrast to most other mem ers o the Amycolatopsis genus, Amycolatopsis he strateg to awake predicted silent gene clusters using a characterized regulator as well as the japonicum was never descri ed to produce an product with anti acterial activit his strain strateg to identi new ios nthetic genes characterizing an environmental signal sensing A. japonicum however is known to s nthesize the chelating agent eth lenediamine disuccinate S,S , a regulator ena led the isolation o novel ios nthetic pathwa s in oth approaches iodegrada le A isomer in response to zinc de icienc his zinc responsive repression o S,S ollow the oint concept to exploit knowledge o regulator pathwa s and have the prospect to e production indicates a possi le contri ution o S,S to zinc uptake and that it might generall applica le in order to guide uture detection o new natural products elong to the rarel descri ed ph siological group o zincophores om ining excellent chelating properties with the accessi ilit to iodegradation, S,S is considered as a sustaina le chelating agent, possessing the potential to replace A and other environmentall threatening chelating agents in various applications n this stud , two distinct molecular genetic strategies were developed and implemented to activate S,S the ios nthesis o the gl copeptide anti iotic ristom cin A and to identi the Amycolatopsis japonicum ios nthetic genes in Amycolatopsis A. japonicum Genetic evaluation o the anti iotic ios nthetic potential indicated that might has the capa ilit to produce a gl copeptide anti iotic ince the ios nthesis o the predicted gl copeptide was not detected altering the culture conditions, a molecular genetic approach was emplo ed to activate its production eterologous expression o the characterized pathwa speci ic activator r, naturall inducing the alhim cin ios nthesis in A. balhimycina, induced the s nthesis A. japonicum o a ioactive su stance in he ioactivit could e assigned to the production o ristom cin A, a highl gl cos lated peptide anti iotic which is used in diagnostic kits to detect widespread hereditar coagulation disorders ull se uencing o the A. japonicum genome and its computational anal sis led to the identi ication o the corresponding ios nthetic gene cluster which is directing the ios nthesis o ristom cin A uch computational genome anal ses various ioin ormatic tools are nowada s standardized applied strategies to identi secondar meta olite gene clusters hese approaches however ailed to detect the S,S ios nthetic genes his re uired the development o a new approach which relies on the assumption that the zinc repressed ios nthesis o S,S is regulated a zinc responsive regulator element here ore, the ma or zinc responsive transcriptional regulator o A. japonicum ur was characterized in detail ur regulates the expression o the high a init zinc uptake s stem nuA inding to a speci ic A inding se uence he screening o the A. japonicum genome or urther ur regulated genes using this deduced ur inding se uence led to
iii iv iii iv List of publications Contributions ist o pu lications ontri utions
List of publications Contributions