Diterpenbiosynthese in Actinomyceten: Studien an Cattleyensynthase und Phomopsensynthase

Abstract

Drei Diterpensynthasen aus Actinomyceten wurden studiert. Das erste Enzym aus Streptomyces cattleya produzierte die neue Verbindung Cattleyen. Zwei weitere Enzyme aus Nocardia testacea und Nocardia rhamnosiphila wurden als Phomopsensynthasen identifiziert. Der Cyclisierungsmechanismus der Cattleyensynthase und der EI-MS-Fragmentierungsmechanismus ihres Produktes wurden extensiv durch Inkubationsexperimente mit isotopenmarkierten Vorläufern studiert. Oxidative Transformationen erweiterten den chemi-schenStrukturraum dieser einzigartigen Diterpene. Die kationischen Cyclisierungskaskaden zu Te rpenen gehçren zu den komplexesten biosynthetischen Reaktionen in der Natur,d ie durch ein einziges Enzym realisiert werden. [1] Faszinierenderweise sind nur wenige lineare Vorläufer, die Oligoprenyldiphosphate,a usreichend, um eine große Diversitätp olycyclischer Skelette mit multiplen Stereozentren zu erzeugen. Fürd iese Tr ansformationen sind verschiedene Enzymklassen evolviert, einschließlich der Te rpensynthasen (TS) des Ty ps I, die das Substrat durch Abstraktion von Diphosphat (PP) ionisieren. Eine wachsende Anzahl von Enzymen der Klasse II ist bekannt, die die Bildung eines Intermediates fürn achfolgende Umsetzung durch ein Enzym der Klasse Ikatalysieren. Diese Funktionen werden manchmal in bifunktionalen Enzymen wie der ent-Kaurensynthase aus Fusarium fujikuroi oder der Abietadiensynthase aus Abies grandis kombiniert. [2] Eine dritte Klasse von Enzymen mit TS-Aktivitätist zu der Prenyltransferase UbiA verwandt, die an der Ubichinonbiosynthese beteiligt ist und ebenfalls durch PP-Abstraktion agiert. [3] Jüngst wurde in dem Pilz Acremonium strictum ein weiterer TS-Typ (AsR6) fürH umulen identifiziert. [4] Nach der Entdeckung der Fusicoccadiensynthase aus Phomopsis amygdali [5] wurden einige weitere bifunktionale Diterpensynthasen (DTS) mit einer Geranylgeranyl-PP-Synthase-(GGPPS) und einer TS-Domäne aus Pilzen identifiziert, die eine initiale 1,11-und 10,14-Cyclisierung katalysieren. [6] VorK urzem wurde über eine Reihe von bakteriellen monofunktionalen DTS mit demselben initialen Cyclisierungsmodus berichtet, [7] mit der Synthase fürC yclooctat-9-en-7-ol (CotB2) aus Streptomyces melanosporofa-

Decoding Catalysis by Terpene Synthases

“…111 Cattleyene synthase (ScCyS) is a diterpene synthase (dTS) from Streptomyces cattleya whose cyclization mechanism has also been studied using isotope labeling. 117 In a further study by Dickschat and colleagues, solution of the crystal structure of apo-ScCyS and ScCyS-Mg 2+ -GGPP, the first TS crystal structure containing a natural substrate, revealed important active site residues controlling cattleyene synthesis and implied PPi as the general base that terminates the reaction. A targeted variant (C59A) was highly active but more promiscuous, producing an array of polycyclic terpenoids, one of which possessed a novel carbon skeleton.…”

An Unusual Skeletal Rearrangement in the Biosynthesis of the Sesquiterpene Trichobrasilenol from Trichoderma

“…For many of the known polycyclic skeletons, a possible mechanism of formation from the corresponding precursor seems obvious, but sometimes only isotopic labelling experiments can unravel surprising rearrangement steps or are required to distinguish between different alternatives. [7][8][9] The diversity of skeletons is further enlarged by irregular couplings of DMAPP and IPP that can help to explain unusual terpene skeletons, [10] but in other cases, skeletal rearrangements of an acyclic (regular) precursor must be assumed. Particularly interesting are systems in which the number of Me groups or their equivalents such as olefinic methylene groups exceeds the number of Me groups in the precursor.…”

Two Diterpene Synthases from Chryseobacterium: Chryseodiene Synthase and Wanjudiene Synthase

“…The mechanistic and stereochemical differences are also reflected by the weak identity (15 %) between CpCS and the TS domain of PaFS, suggesting that these enzymes have evolved independently. Unrelated DTSs are also known for phomopsene from fungi and bacteria, [24] while bacterial and fungal corvol ether synthases are closely related, suggesting a crosskingdom horizontal gene transfer. [25] The second enzyme from C. wanjuense (WP_089795910) did not accept GPP, FPP or GFPP, but efficiently converted GGPP into an unkown diterpene 8, besides traces of bonnadiene (9) for which the bonnadiene synthase (BdS) was recently discovered from Allokutzneria albata (Scheme 3, Figure S19).…”