Mechanisms and Evolution of Assembly-Line Polyketide Synthases
装配线聚酮化合物合成酶的机制和演变
基本信息
- 批准号:10205865
- 负责人:
- 金额:$ 40.1万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-06-01 至 2026-05-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:Acyl Carrier ProteinAnabolismAntibioticsBiologicalBiological AssayCandidate Disease GeneChemicalsClustered Regularly Interspaced Short Palindromic RepeatsComplexCryoelectron MicroscopyEngineeringEnzymatic BiochemistryEnzymesEpitopesEvolutionExperimental ModelsGene ConversionGenesGeneticGenetic ModelsGoalsHuman Cell LineIn VitroIndividualInvestigationKnock-outLaboratoriesLogicMolecular ConformationMonoclonal AntibodiesNamesNatural ProductsNocardiaNocardia InfectionsNucleotidesOrphanPhenotypePlayReactionResearchRoentgen RaysRoleSpecificityStreptomycesStructureTestingbaseflexibilitygenetic elementgenome-wideinsightknock-downmacrophagenovelpolyketide synthasereconstitutionsmall hairpin RNAvector
项目摘要
PROJECT DESCRIPTION
Assembly-line polyketide synthases (PKSs) are enzyme machines that catalyze vectorial biosynthesis of a
growing polyketide chain through a uniquely defined sequence of acyl carrier protein and ketosynthase
domains involving alternating chain translocation and elongation reactions. Notwithstanding the discovery of
>3000 naturally occurring assembly-line PKSs, we do not understand how they blend catalytic specificity with
evolutionary flexibility. Our lab is motivated by the goal of understanding the enzymology and evolution of
assembly-line PKSs while enhancing our ability to engineer known PKSs and decode “orphan” ones.
Our Goals for the next five years are to:
1) Understand the chemical logic of vectorial biosynthesis by an assembly-line PKS: We will study: (i) the
structural dynamics of individual PKS modules; (ii) how different conformations of a module enable its
elementary reactions; and (iii) the extent to which transitions between successive reactions are coordinated
across an assembly line. Our proposed mechanistic investigations will exploit: (i) our ability to functionally
reconstitute PKSs in vitro; (ii) epitope-specific monoclonal antibodies to trap individual PKS modules in
specific conformational or catalytic states; and (iii) advances in X-ray, SAXS, and cryoEM analysis of PKSs.
2) De-orphanize the nocardiosis-associated NOCAP synthase: We have de-orphanized the nonamodular
NOCAP synthase found in isolates of Nocardia associated with nocardiosis. Now, we propose to solve the
structure of the fully tailored natural product, and to elucidate its biological role in nocardiosis. This will require
us to: (i) characterize a putatively doubly glycosylated polyketide product; (ii) establish a phenotypic assay for
its bioactivity in a macrophage-like human cell line; and (ii) harness genome-wide CRISPR knockout and
shRNA knockdown screens to gain insight into its mode of action.
3) Decipher the role of GRINS in the evolution of assembly-line PKSs: We have discovered a new genetic
element, named GRINS (genetic repeats of intense nucleotide skews), that is widespread in assembly-line
PKS genes. We hypothesize that GRINS play a major role in diversifying assembly-line PKSs. To test this
hypothesis, we will: (i) identify candidate genes in Streptomyces that are involved in introducing nucleotide
skews or enabling gene conversion; (ii) identify a bacterial host in which gene conversion is enabled by GRINS
under laboratory conditions; and (iii) develop an experimental model for GRINS-based PKS engineering.
The significance of our proposal is two-fold. On one hand, it offers the opportunity to break new ground in our
understanding of the structure, mechanism, and evolution of assembly-line PKSs. On the other hand, it tests
the extent to which our understanding of these remarkable megasynthases can be harnessed to discover
novel bioactive polyketides from “orphan” assembly-line PKSs.
项目描述
装配线聚酮合酶 (PKS) 是催化载体生物合成的酶机器
通过酰基载体蛋白和酮合酶的独特定义序列生长聚酮化合物链
尽管发现了涉及交替链易位和延伸反应的领域。
>3000 个天然存在的装配线 PKS,我们不明白它们如何将催化特异性与
我们实验室的目标是了解酶学和进化。
装配线 PKS,同时增强我们设计已知 PKS 和解码“孤立”PKS 的能力。
我们未来五年的目标是:
1) 通过装配线 PKS 了解载体生物合成的化学逻辑:我们将研究:(i)
各个 PKS 模块的结构动力学;(ii) 模块的不同构象如何实现其功能
基元反应;以及(iii)连续反应之间的转变的协调程度
我们提出的机械研究将利用:(i)我们的功能能力。
体外重建 PKS;(ii) 表位特异性单克隆抗体以捕获单个 PKS 模块
特定构象或催化状态;以及 (iii) PKS 的 X 射线、SAXS 和冷冻电镜分析方面的进展。
2)去孤儿化诺卡氏菌病相关的NOCAP合酶:我们已经去孤儿化了非调节性
在与诺卡氏菌病相关的诺卡氏菌分离株中发现了 NOCAP 合酶。现在,我们建议解决这个问题。
完全定制的天然产物的结构,并阐明其在诺卡氏菌病中的生物学作用。
我们:(i)表征假定的双糖基化聚酮化合物产品;(ii)建立表型测定
其在巨噬细胞样人类细胞系中的生物活性;以及 (ii) 利用全基因组 CRISPR 敲除和
shRNA 敲低筛选以深入了解其作用模式。
3)破译GRINS在装配线PKS进化中的作用:我们发现了一种新的遗传基因
称为 GRINS(强烈核苷酸偏斜的遗传重复)的元素,广泛存在于装配线中
PKS 基因。我们勇敢地说 GRINS 在多样化装配线 PKS 中发挥着重要作用,以测试这一点。
假设,我们将:(i)鉴定链霉菌中参与引入核苷酸的候选基因
(ii) 鉴定通过 GRINS 实现基因转换的细菌宿主
在实验室条件下;(iii) 开发基于 GRINS 的 PKS 工程的实验模型。
我们的提案具有双重意义,一方面,它提供了在我们的领域开辟新天地的机会。
另一方面,它测试了装配线 PKS 的结构、机制和演变。
我们对这些非凡的大合成酶的理解可以在多大程度上被利用来发现
来自“孤儿”装配线 PKS 的新型生物活性聚酮化合物。
项目成果
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