Targeted and Logical Discovery of Piperazic Acid-Bearing Natural Products Based on Genomic and Spectroscopic Signatures

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作者
Daniel Shin,Woong Sub Byun,Sangwook Kang,Ilnam Kang,Eun Seo Bae,Joon Soo An,Ji Hyeon Im,Jiyoon Park,Eunji Kim,Keebeom Ko,Sunghoon Hwang,Honghui Lee,Y.S. Kwon,Yoon‐Joo Ko,Suckchang Hong,Sang‐Jip Nam,Seung Bum Kim,William Fenical,Yeo Joon Yoon,Jang‐Cheon Cho
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (36): 19676-19690 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04699
摘要

A targeted and logical discovery method was devised for natural products containing piperazic acid (Piz), which is biosynthesized from ornithine by l-ornithine N-hydroxylase (KtzI) and N-N bond formation enzyme (KtzT). Genomic signature-based screening of a bacterial DNA library (2020 strains) using polymerase chain reaction (PCR) primers targeting ktzT identified 62 strains (3.1%). The PCR amplicons of KtzT-encoding genes were phylogenetically analyzed to classify the 23 clades into two monophyletic groups, I and II. Cultivating hit strains in media supplemented with 15NH4Cl and applying 1H-15N heteronuclear multiple bond correlation (HMBC) along with 1H-15N heteronuclear single quantum coherence (HSQC) and 1H-15N HSQC-total correlation spectroscopy (HSQC-TOCSY) NMR experiments detected the spectroscopic signatures of Piz and modified Piz. Chemical investigation of the hit strains prioritized by genomic and spectroscopic signatures led to the identification of a new azinothricin congener, polyoxyperuin B seco acid (1), previously reported chloptosin (2) in group I, depsidomycin D (3) incorporating two dehydropiperazic acids (Dpz), and lenziamides A and B (4 and 5), structurally novel 31-membered cyclic decapeptides in group II. By consolidating the phylogenetic and chemical analyses, clade-structure relationships were elucidated for 19 of the 23 clades. Lenziamide A (4) inhibited STAT3 activation and induced G2/M cell cycle arrest, apoptotic cell death, and tumor growth suppression in human colorectal cancer cells. Moreover, lenziamide A (4) resensitized 5-fluorouracil (5-FU) activity in both in vitro cell cultures and the in vivo 5-FU-resistant tumor xenograft mouse model. This work demonstrates that the genomic and spectroscopic signature-based searches provide an efficient and general strategy for new bioactive natural products containing specific structural motifs.
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