Ribosomal peptides are produced through the post-translational modification of precursor peptides. Cyanobactins are a family of ribosomal peptides produced by cyanobacteria. A great variety of cyclic peptides that can be assigned to the cyanobactin family have been described from cyanobacteria. In the biosynthesis, the precursor peptide is cleaved, N-to-C macrocyclized, and some amino acids are heterocyclized or prenylated. As a family, the cyanobactins possess cytotoxicity, multidrug-resistance reversing activity, anti-malarial, antimicrobial, and allelopathic activities.
The aim of this study was to explore the distribution of cyanobactin pathways and determine the chemical diversity of the peptides they encode. Cyanobacterial strains were studied using a combination of bioinformatics, molecular biology, evolutionary biology, and structural chemistry.
In this study, a PCR-based approach demonstrated that a gene, essential for cyanobactin biosynthesis, is common and sporadically distributed. It was found in 48 of 132 cyanobacterial strains studied. The product of a cyanobactin pathway in Anabaena sp. 90 was identified as a cyclic peptide, consisting only of proteinogenic amino acids and it was named anacyclamide. Diverse anacyclamides were identified from 27 strains of the genus Anabaena, consisting of 7-20 amino acids which were prenylated or geranylated in some strains. New cyanobactins were also found in 6 strains of the genus Microcystis based on the genetic similarity to an inactive cyanobactin gene cluster in M. aeruginosa NIES 843. These peptides, which were named piricyclamides, are similar to anacyclamides. Piricyclamides have 7 to 17 amino acids and like anacyclamides the only conserved amino acid is a single proline.
Bioinformatic analysis of the cyanobactin pathway in 126 cyanobacterial genomes identified 31 cyanobactin gene clusters, demonstrating that cyanobactin pathways were widely distributed among all cyanobacteria. Surprisingly, two of the pathways identified in this study were shown to produce novel linear cyanobactins. These linear peptides of just 3 5 amino acids contain a cysteine derived thiazole and an N-terminus protected with a prenyl group and methylated C-terminus. The linear cyanobactins were named aeruginosamides B, C, and viridisamide A. Phylogenetic analyses subsequently showed that the cyanobactin pathway has a complex evolutionary history which differs from the evolutionary history of cyanobacteria.
The cyanobactin family was originally defined as being cyclic peptides containing modified amino acids. In this study, altogether three types of cyanobactins were described, cyclic anacyclamides, piricyclamides, and the linear cyanobactins aeruginosamides and viridisamide A. This work broadened the cyanobactin definition to include unmodified cyclic peptides, and expanded the length variation of cyanobactins setting new upper and lower limits, 3 20, for the length of the peptides in the cyanobactin family. The definition of cyanobactin was further refined to include linear peptides with termini protected by prenylation and methylation. Overall, this study has shown that the cyanobactin pathway is common in cyanobacteria and able to produce a range of chemically diverse peptides.Bakteerit tuottavat erilaisia pieniä ribosomaalisia peptidejä, jotka on muokattu suuremmasta esipeptidistä. Syanobaktiinit ovat syanobakteerien tuottamia ribosomaalisia rengaspeptidejä, jotka sisältävät muokattuja aminohappoja. Syanobaktiinien on havaittu olevan soluille myrkyllisiä, antimikrobisia, lääkevastustuskykyä alentavia ja malariaa estäviä sekä niillä on havaittu myös olevan muiden eliöiden kasvuun vaikuttavia, allelopaattisia, ominaisuuksia.
Tässä työssä selvitettiin syanobaktiinien biosynteesigeenien esiintymistä syanobakteereissa sekä syanobaktiinien kemiallisten rakenteiden monimuotoisuutta. Työssä tutkittiin syanobakteerikantoja yhdistelemällä bioinformatiikkaa, molekyylibiologiaa, evoluutiobiologiaa sekä kemiallista rakenneanalytiikkaa.
Syanobaktiinien tuottamiseen tarvittavien geenien todettiin olevan yleisiä. Tutkituista 132 syanobakteerikannasta 48 löydettiin PCR-menetelmällä syanobaktiinien biosynteesille oleellinen patA-geeni. Anabaena sp. 90 -syanobakteerin genomissa on syanobaktiinien tuottamiseksi tarvittavat geenit. Geenien tuottama syanobaktiini löydettiin ja nimettiin anasyklamidiksi. Anasyklamideja löydettiin 27 Anabaena-kannasta. Anasyklamidit koostuvat 7 20 tavallisesta aminohaposta ja toisinaan jokin aminohappo on prenyloitu tai geranyloitu. Uusia syanobaktiineja löydettiin myös kuudesta Microcystis-kannasta Microcystis aeruginosa NIES 843 -kannan toimimattoman syanobaktiini geeniryhmän perusteella. Nämä syanobaktiinit nimettiin pirisyklamideiksi. Pirisyklamideissa on 7 17 aminohappoa, joista viimeinen on aina proliini, kuten anasyklamideissakin. Myös pirisyklamideissa on prenyloituja tai geranyloituja aminohappoja.
Bioinformatiikan avulla löydettiin 126 syanobakteerigenomista 31 syanobaktiinien tuottamiseen tarvittavaa geeniryhmää. Näistä kahden havaittiin tuottavan lineaarisia 3 5 aminohaposta koostuvia syanobaktiineja. Löydetyissä lineaarisissa syanobaktiineissa on kysteiinistä muokattu heterosyklinen tiatsolirengas, prenyyliryhmällä suojattu aminopää sekä metyloitu karboksyylipää. Uudet lineaariset syanobaktiinit nimettiin aeruginosamidi B:ksi ja C:ksi sekä viridisamidi A:ksi. Tutkimuksen mukaan syanobaktiinien tuottamiseksi tarvittavat geeniryhmät ovat laajalle levinneitä syanobakteerien joukossa. Fylogeneettiset analyysit osoittivat, että syanobaktiineja tuottavien geenien evoluutio on monimutkainen ja se eroaa syanobakteerien evolutiivisesta historiasta.
Aikaisemmin syanobaktiinit oli määritelty rengaspeptideiksi, joissa on muokattuja aminohappoja. Tässä työssä kuvattiin rengasmaiset anasyklamidit ja pirisyklamidit sekä lineaariset aeruginosamidit ja viridisamidi A. Työssä laajennettiin syanobaktiinien määritelmää käsittämään myös ainoastaan tavallisista, muokkaamattomista aminohapoista koostuvia rengaspeptidejä sekä asetettiin uudet ääripituudet syanobaktiineille (3 20). Syanobaktiinit määriteltiin nyt sisältämään myös lineaarisia peptidejä. Kaiken kaikkiaan työ osoitti, että syanobaktiinien tuottamiseksi tarvittavat geenit ovat yleisiä syanobakteereilla ja ne tuottavat suuren joukon erilaisia syanobaktiineja
