Non-enzymatic pyridine ring formation in the biosynthesis of the rubrolone tropolone alkaloids

Abstract

The pyridine ring is a potent pharmacophore in alkaloid natural products. Nonetheless, its biosynthetic pathways are poorly understood. Rubrolones A and B are tropolone alkaloid natural products possessing a unique tetra-substituted pyridine moiety. Here, we report the gene cluster and propose a biosynthetic pathway for rubrolones, identifying a key intermediate that accumulates upon inactivation of sugar biosynthetic genes. Critically, this intermediate was converted to the aglycones of rubrolones by non-enzymatic condensation and cyclization with either ammonia or anthranilic acid to generate the respective pyridine rings. We propose that this non-enzymatic reaction occurs via hydrolysis of the key intermediate, which possesses a 1,5-dione moiety as an amine acceptor capable of cyclization. This study suggests that 1,5-dione moieties may represent a general strategy for pyridine ring biosynthesis, and more broadly highlights the utility of non-enzymatic diversification for exploring and expanding natural product chemical space.

Genome Mining and Comparative Biosynthesis of Meroterpenoids from Two Phylogenetically Distinct Fungi

“…[27] Thesole P450 in the atn gene cluster is predicted to be responsible for hydroxylating both C1' and C10'.T o investigate its biosynthetic role,weknocked out atnM and the mutant showed disappearance of 1-6 with the accumulation of three new peaks (Figure 1). Michael addition of an amine group to the benzoquinone compound 17 a followed by spontaneous oxidation will give 17 b.S ubsequent nucleophilic attack of the amine to 4-keto group with the loss of aH 2 Oforms 17 d. [28] To characterize the ketoreduction step in detail, AtnB was overproduced in E. coli and purified to homogeneity.A tnB was then incubated with 17 c in the presence of 1mm NADH. Intriguingly,the structure of 17 d bears apyrrole group (Scheme 1).…”

“…Intriguingly,the structure of 17 d bears apyrrole group (Scheme 1). Michael addition of an amine group to the benzoquinone compound 17 a followed by spontaneous oxidation will give 17 b.S ubsequent nucleophilic attack of the amine to 4-keto group with the loss of aH 2 Oforms 17 d. [28] To characterize the ketoreduction step in detail, AtnB was overproduced in E. coli and purified to homogeneity.A tnB was then incubated with 17 c in the presence of 1mm NADH. HPLC analysis showed the appearance of an ew peak (17 e) with an expected molecular formula of C 28 H 42 O 8 ;inc ontrast no reaction occurred when boiled AtnB was used as catalyst.…”

Genome Mining and Comparative Biosynthesis of Meroterpenoids from Two Phylogenetically Distinct Fungi

“…Michael addition of an amine group to the benzoquinone compound 17 a followed by spontaneous oxidation will give 17 b . Subsequent nucleophilic attack of the amine to 4‐keto group with the loss of a H 2 O forms 17 d …”

Struktur und Biosynthese der Isatropolone, bioaktiver und Amin‐reaktiver fluoreszierender Naturstoffe aus Streptomyces Gö66

“…Vergleichbar reaktiv sind die bakteriellen Rubrolone, Tropolon‐ und Pyridinringe tragende Naturstoffe aus Streptomyces . Ihre Biosynthese wurde kürzlich beschrieben, wobei gezeigt wurde, dass der Tropolonring durch eine Umlagerung eines Typ‐II‐Polyketidsynthase(PKS)‐abgeleiteten Intermediats entsteht, während der Pyridinring nichtenzymatisch aus einem 1,5‐Diketon und einem Amin gebildet wird . Der ursprüngliche, Amin‐freie Naturstoff konnte jedoch nur nach Manipulation des Biosynthese‐Genclusters (BGC) in Form des Aglykons nachgewiesen werden.…”

“…Analyse der HMBC‐Spektren aller drei Verbindungen wies auf eine ungewöhnliche Tropolonstruktur ähnlich zu den beschriebenen Rubrolonen A ( 4 ) und B ( 5 ) hin (Abbildung S2), auch wenn 4 und 5 einen zusätzlichen Pyridinring und einen anderen Zucker enthalten. Da für die Rubrolone gezeigt wurde, dass sie sich von Amin‐freien und damit Isatropolon‐ähnlichen Vorstufen ableiten, die schließlich nach Deletion der Glycosyltransferase‐kodierenden Gene auch nachgewiesen wurden, wurden 1 – 3 mit Ammoniak quantitativ in die entsprechenden, Isarubrolone A–C ( 6 – 8 ) genannten Pyridinderivate umgewandelt. Eine detaillierte NMR‐Analyse von 6 – 8 (Tabellen S5–S7) sowie NMR‐Analyse (unter anderem durch INADEQUATE‐Experimente) von mit Ammoniak umgesetztem 1 , das nach Fütterung von markiertem Acetat erhalten wurde (Tabelle S5 und Abbildung b), bestätigten alle Strukturen.…”