OpenLB
Open Library of Bioscience
Advanced Search
Chembiochem : a European journal of chemical biology
04 03, 2023;24 (7): e202200757.

Metabolomics Reveals a "Trimeric" γ-Actinorhodin from Streptomyces coelicolor M145.

Andrew P Marshall, Erin E Carlson
Author Information
  1. Andrew P Marshall: Department of Chemistry, University of Minnesota, 207 Pleasant Street SE, Minneapolis, Minnesota, 55455, USA.
  2. Erin E Carlson: Department of Chemistry, University of Minnesota, 207 Pleasant Street SE, Minneapolis, Minnesota, 55455, USA. ORCID
PMID: 36729633 DOI: 10.1002/cbic.202200757

Abstract

Streptomyces coelicolor is a prolific producer of natural products and serves as a model organism for their study. It produces several pigmented antibiotics, the best-studied of which are the actinorhodins. We used a combination of liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and computational tools used for annotating the detected species (e. g., spectral matching, in-silico predictors, molecular networking) to identify putative new actinorhodin analogs. These studies led to the discovery of the first trimeric benzoisochromanequinone, θ-actinorhodin (1). Further metabolomics analysis revealed that the relative amounts of shunt products produced were similar between the two growth conditions explored. This suggests that, while substantially different products were being produced, the biosynthetic gene clusters were similarly active. Overall, this work describes the discovery of the first trimeric benzoisochromanequinone and explores the biosynthetic processes that might lead to its production by metabolomics analysis of relevant intermediates.

Keywords

Benzoisochromanequinone Streptomyces mass spectrometry metabolomics natural products

References

  1. A. R. Johnson, E. E. Carlson, Anal. Chem. 2015, 87, 10668-10678.
  2. D. J. Newman, G. M. Cragg, J. Nat. Prod. 2020, 83, 770-803.
  3. G. M. Cragg, D. J. Newman, Biochim. Biophys. Acta 2013, 1830, 3670-3695.
  4. M. Cihak, Z. Kamenik, K. Smidova, N. Bergman, O. Benada, O. Kofronova, K. Petrickova, J. Bobek, Front. Microbiol. 2017, 8, 2495.
  5. A. M. Sidebottom, A. R. Johnson, J. A. Karty, D. J. Trader, E. E. Carlson, ACS Chem. Biol. 2013, 8, 2009-2016.
  6. G. van Keulen, P. J. Dyson, Adv. Appl. Microbiol. 2014, 89, 217-266.
  7. S. D. Bentley, K. F. Chater, A.-M. Cerdeño-Tárraga, G. L. Challis, N. R. Thomson, K. D. James, D. E. Harris, M. A. Quail, H. Kieser, D. Harper, A. Bateman, S. Brown, G. Chandra, C. W. Chen, M. Collins, A. Cronin, A. Fraser, A. Goble, J. Hidalgo, T. Hornsby, S. Howarth, C.-H. Huang, T. Kieser, L. Larke, L. Murphy, K. Oliver, S. O′Neil, E. Rabbinoswitsch, M.-A. Rajandream, K. Rutherford, S. Rutter, K. Seeger, D. Saunders, S. Sharp, S. R. S. Squares, L. Taylor, T. Warren, A. Wietzorrek, J. Woodward, B. G. Barrel, J. Parkhill, D. A. Hopwood, Nature 2002, 417, 141-147.
  8. U. R. Abdelmohsen, T. Grkovic, S. Balasubramanian, M. S. Kamel, R. J. Quinn, U. Hentschel, Biotechnol. Adv. 2015, 33, 798-811.
  9. D. Krug, R. Muller, Nat. Prod. Rep. 2014, 31, 768-783.
  10. L. Katz, R. H. Baltz, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2016, 43, 155-176.
  11. L. F. Wright, D. A. Hopwood, J. Gen. Microbiol. 1976, 96, 289-297.
  12. L. V. Bystrykh, M. A. Fernandez-Moreno, F. Malpartida, D. A. Hopwood, J. K. Herrema, L. Dukhuizen, J. Bacteriol. 1996, 2238-2244.
  13. N. M. Nass, S. Farooque, C. Hind, M. E. Wand, C. P. Randall, J. M. Sutton, R. F. Seipke, C. M. Rayner, A. J. O′Neill, Sci. Rep. 2017, 7, 17419.
  14. S. Mak, J. R. Nodwell, Mol. Microbiol. 2017, 106, 597-613.
  15. N. Gerber, J. Antibiot. 1975, 28, 194-199.
  16. Y. Lim, E. S. Jung, J. H. Lee, E. J. Kim, S. J. Hong, Y. H. Lee, C. H. Lee, PLoS One 2018, 13, e0207541.
  17. B. T. Jones, D. X. Hu, B. M. Savoie, R. J. Thomson, J. Nat. Prod. 2013, 76, 1937-1945.
  18. J. P. Gomez-Escribano, L. Song, D. J. Fox, V. Yeo, M. J. Bibb, G. L. Challis, Chem. Sci. 2012, 3, 2716-2720.
  19. N. F. Som, D. Heine, N. Holmes, F. Knowles, G. Chandra, R. F. Seipke, P. A. Hoskisson, B. Wilkinson, M. I. Hutchings, Microbiology 2017, 163, 1415-1419.
  20. D. D′Alia, D. Eggle, K. Nieselt, W. S. Hu, R. Breitling, E. Takano, Microb. Biotechnol. 2011, 4, 239-251.
  21. T. Taguchi, T. Ebihara, A. Furukawa, Y. Hidaka, R. Ariga, S. Okamoto, K. Ichinose, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2012, 22, 5041-5045.
  22. S. Okamoto, T. Taguchi, K. Ochi, K. Ichinose, Chem. Biol. 2009, 16, 226-236.
  23. T. Taguchi, M. Yabe, H. Odaki, M. Shinozaki, M. Metsa-Ketela, T. Arai, S. Okamoto, K. Ichinose, Chem. Biol. 2013, 20, 510-520.
  24. L. V. Bystrykh, J. K. Herrema, W. Kruizinga, R. M. Kellogg, Biotechnol. Appl. Biochem. 1997, 26, 195-201.
  25. H. Brockmann, P. Christiansen, Chem. Ber. 1970, 103, 708-717.
  26. T. Ito, M. Masubuchi, J. Antibiot. (Tokyo) 2014, 67, 353-360.
  27. J. Hubert, J.-M. Nuzillard, J.-H. Renault, Phytochem. Rev. 2015, 16, 55-95.
  28. P. M. Allard, T. Peresse, J. Bisson, K. Gindro, L. Marcourt, V. C. Pham, F. Roussi, M. Litaudon, J. L. Wolfender, Anal. Chem. 2016, 88, 3317-3323.
  29. J. Y. Yang, L. M. Sanchez, C. M. Rath, X. Liu, P. D. Boudreau, N. Bruns, E. Glukhov, A. Wodtke, R. de Felicio, A. Fenner, W. R. Wong, R. G. Linington, L. Zhang, H. M. Debonsi, W. H. Gerwick, P. C. Dorrestein, J. Nat. Prod. 2013, 76, 1686-1699.
  30. D. B. B. Trivella, R. de Felicio, mSystems 2018, 3.
  31. A. Mohamed, C. H. Nguyen, H. Mamitsuka, Briefings Bioinf. 2016, 17, 309-321.
  32. H. Mohimani, A. Gurevich, A. Shlemov, A. Mikheenko, A. Korobeynikov, L. Cao, E. Shcherbin, L. F. Nothias, P. C. Dorrestein, P. A. Pevzner, Nat. Commun. 2018, 9, 4035.
  33. C. Guijas, J. R. Montenegro-Burke, X. Domingo-Almenara, A. Palermo, B. Warth, G. Hermann, G. Koellensperger, T. Huan, W. Uritboonthai, A. E. Aisporna, D. W. Wolan, M. E. Spilker, H. P. Benton, G. Siuzdak, Anal. Chem. 2018, 90, 3156-3164.
  34. H. Mohimani, A. Gurevich, A. Mikheenko, N. Garg, L. F. Nothias, A. Ninomiya, K. Takada, P. C. Dorrestein, P. A. Pevzner, Nat. Chem. Biol. 2017, 13, 30-37.
  35. K. Dührkop, M. Fleischauer, M. Ludwig, A. A. Aksenov, A. V. Melnik, M. Meusel, P. C. Dorrestein, J. Rousu, S. Böcker, Nat. Methods 2019, 16, 299-302.
  36. C. Ruttkies, E. L. Schymanski, S. Wolf, J. Hollender, S. Neumann, J. Cheminf. 2016, 8, 3.
  37. H. Brockmann, H. Pini, O. Plotho, Chem. Ber. 1950, 83, 161.
  38. H. Brockmann, E. Hieronimus, Chem. Ber. 1955, 88, 1379-1390.
  39. J. Watrous, N. Hendricks, M. Meehan, P. C. Dorrestein, Anal. Chem. 2012, 82, 1598-1600.
  40. S. Limjiasahapong, K. Kaewnarin, N. Jariyasopit, S. Hongthong, N. Nuntasaen, J. L. Robinson, I. Nookaew, Y. Sirivatanauksorn, C. Kuhakarn, V. Reutrakul, S. Khoomrung, Front. Plant Sci. 2020, 11, 602993.
  41. A. Kiontke, A. Oliveira-Birkmeier, A. Opitz, C. Birkemeyer, PLoS One 2016, 11, e0167502.
  42. M. Neumeyer, R. Bruckner, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3383-3388;
  43. Angew. Chem. 2017, 129, 3432-3437.
  44. T. Itoh, T. Taguchi, M. R. Kimberley, K. I. Booker-Milburn, R. Stephenson, Y. Ebizuka, K. Ichinose, Biochemistry 2007, 46, 8181-8188.
  45. T. Taguchi, K. Itou, Y. Ebizuka, F. Malpartida, D. A. Hopwood, C. M. Surti, K. I. Booker-Milburn, R. Stephenson, K. Ichinose, J. Antibiot. 2000, 53, 144-152.
  46. M. Cummings, A. D. Peters, G. F. S. Whitehead, B. R. K. Menon, J. Micklefield, S. J. Webb, E. Takano, PLoS Biol. 2019, 17, e3000347.
  47. P. Javidpour, J. Bruegger, S. Srithahan, T. P. Korman, M. P. Crump, J. Crosby, M. D. Burkart, S. C. Tsai, Chem. Biol. 2013, 20, 1225-1234.
  48. M. Wang, J. J. Carver, V. V. Phelan, L. M. Sanchez, N. Garg, Y. Peng, D. D. Nguyen, J. Watrous, C. A. Kapono, T. Luzzatto-Knaan, C. Porto, A. Bouslimani, A. V. Melnik, M. J. Meehan, W. T. Liu, M. Crusemann, P. D. Boudreau, E. Esquenazi, M. Sandoval-Calderon, R. D. Kersten, L. A. Pace, R. A. Quinn, K. R. Duncan, C. C. Hsu, D. J. Floros, R. G. Gavilan, K. Kleigrewe, T. Northen, R. J. Dutton, D. Parrot, E. E. Carlson, B. Aigle, C. F. Michelsen, L. Jelsbak, C. Sohlenkamp, P. Pevzner, A. Edlund, J. McLean, J. Piel, B. T. Murphy, L. Gerwick, C. C. Liaw, Y. L. Yang, H. U. Humpf, M. Maansson, R. A. Keyzers, A. C. Sims, A. R. Johnson, A. M. Sidebottom, B. E. Sedio, A. Klitgaard, C. B. Larson, C. A. B. P, D. Torres-Mendoza, D. J. Gonzalez, D. B. Silva, L. M. Marques, D. P. Demarque, E. Pociute, E. C. O′Neill, E. Briand, E. J. N. Helfrich, E. A. Granatosky, E. Glukhov, F. Ryffel, H. Houson, H. Mohimani, J. J. Kharbush, Y. Zeng, J. A. Vorholt, K. L. Kurita, P. Charusanti, K. L. McPhail, K. F. Nielsen, L. Vuong, M. Elfeki, M. F. Traxler, N. Engene, N. Koyama, O. B. Vining, R. Baric, R. R. Silva, S. J. Mascuch, S. Tomasi, S. Jenkins, V. Macherla, T. Hoffman, V. Agarwal, P. G. Williams, J. Dai, R. Neupane, J. Gurr, A. M. C. Rodriguez, A. Lamsa, C. Zhang, K. Dorrestein, B. M. Duggan, J. Almaliti, P. M. Allard, P. Phapale, et al., Nat. Biotechnol. 2016, 34, 828-837.
  49. L. F. Nothias, D. Petras, R. Schmid, K. Duhrkop, J. Rainer, A. Sarvepalli, I. Protsyuk, M. Ernst, H. Tsugawa, M. Fleischauer, F. Aicheler, A. A. Aksenov, O. Alka, P. M. Allard, A. Barsch, X. Cachet, A. M. Caraballo-Rodriguez, R. R. Da Silva, T. Dang, N. Garg, J. M. Gauglitz, A. Gurevich, G. Isaac, A. K. Jarmusch, Z. Kamenik, K. B. Kang, N. Kessler, I. Koester, A. Korf, A. Le Gouellec, M. Ludwig, H. C. Martin, L. I. McCall, J. McSayles, S. W. Meyer, H. Mohimani, M. Morsy, O. Moyne, S. Neumann, H. Neuweger, N. H. Nguyen, M. Nothias-Esposito, J. Paolini, V. V. Phelan, T. Pluskal, R. A. Quinn, S. Rogers, B. Shrestha, A. Tripathi, J. J. J. van der Hooft, F. Vargas, K. C. Weldon, M. Witting, H. Yang, Z. Zhang, F. Zubeil, O. Kohlbacher, S. Bocker, T. Alexandrov, N. Bandeira, M. Wang, P. C. Dorrestein, Nat. Methods 2020, 17, 905-908.
  50. T. Pluskal, S. Castillo, A. Villar-Briones, M. Orešič, BMC Bioinf. 2010, 11, 395.
  51. H. Horai, M. Arita, S. Kanaya, Y. Nihei, T. Ikeda, K. Suwa, Y. Ojima, K. Tanaka, S. Tanaka, K. Aoshima, Y. Oda, Y. Kakazu, M. Kusano, T. Tohge, F. Matsuda, Y. Sawada, M. Y. Hirai, H. Nakanishi, K. Ikeda, N. Akimoto, T. Maoka, H. Takahashi, T. Ara, N. Sakurai, H. Suzuki, D. Shibata, S. Neumann, T. Iida, K. Tanaka, K. Funatsu, F. Matsuura, T. Soga, R. Taguchi, K. Saito, T. Nishioka, J. Mass Spectrom. 2010, 45, 703-714.
  52. P. Shannon, A. Markiel, O. Ozier, N. S. Baliga, J. T. Wang, D. Ramage, N. Amin, B. Schwikowski, T. Ideker, Genome Res. 2003, 13, 2498-2504.
  53. S. Tyanova, T. Temu, P. Sinitcyn, A. Carlson, M. Y. Hein, T. Geiger, M. Mann, J. Cox, Nat. Methods 2016, 13, 731-740.

MeSH Term

Streptomyces coelicolor
Anti-Bacterial Agents
Anthraquinones
Metabolomics

Chemicals

gamma-actinorhodin
actinorhodin
Anti-Bacterial Agents
Anthraquinones
Journal Article Research Support, Non-U.S. Gov't
Article has an altmetric score of 2

Word Cloud

Created with Highcharts 10.0.0productsStreptomycesmetabolomicscoelicolornaturalusedspectrometrydiscoveryfirsttrimericbenzoisochromanequinoneanalysisproducedbiosyntheticprolificproducerservesmodelorganismstudyproducesseveralpigmentedantibioticsbest-studiedactinorhodinscombinationliquidchromatography-massLC-MScomputationaltoolsannotatingdetectedspeciese gspectralmatchingin-silicopredictorsmolecularnetworkingidentifyputativenewactinorhodinanalogsstudiesledθ-actinorhodin1revealedrelativeamountsshuntsimilartwogrowthconditionsexploredsuggestssubstantiallydifferentgeneclusterssimilarlyactiveOverallworkdescribesexploresprocessesmightleadproductionrelevantintermediatesMetabolomicsReveals"Trimeric"γ-ActinorhodinM145Benzoisochromanequinonemass

Similar Articles

Cited By