Identification of the Genes Involved in 3´,4´-didehydroxylation during Gentamicin Biosynthesis

Abstract

젠타마이신은 임상적으로 그램 음성균 감염을 치료하는 중요한 아미노글라코사 이드 계열의 항생제이다. 젠타마이신의 3',4'-didehydroxylation 과정은 인산화 에 대한 감수성을 감소시킴으로써 항생제의 효능을 증가시킬수 있고 또한 이 부 분의 생합성 과정이 규명되면 황성이 향상된 신규 젠타마이신 유도체를 개발할 수 있다. 젠타마이신 C의 생합성경로는젠타마이신 X2와 G418을 각각 출발물질로 생합성 되어진다고 보고되어있다. 본 연구에서는 젠타마이신이 3‘번과 4’번 위 치에 수산화기가 없는 sisomicin과 fortimicin의 생합성 유전자집단과 상당의 유사 성을 가지고 있는것으로 보여 gentamicin과 이들의 생합성 유전자집단을 비교 분 석하여 3‘,4’-didehydroxylation 과정에 관련되는 후보 유전자 genG, genF와 genD3를 선별하였다. 그래서 이들은 젠타마이신 X2 로부터 C1a 및 C2b로 전환하 는 생합성 경로뿐 아니라 G418에서 C1, C2 및 C2a로 전환하는 생합성경로에도 관여 를 한다는 것으로 보여졌다. 또 각 돌연변이 균주의 생산에서 보면 이러한 세 가 지 유전자들은 젠타마이신 X2로부터 C1a및 C2b의 생합성에 기여를 더 한 것으로 나타 난다. 그러나 genW 유전자를 선별하여 돌연변이 균주의 생산에서 젠타마이신 C 혼합체들이 전부 다 사라졌으므로 이 유전자가 젠타마이신 생합성에만 관련한다고 알 수 있다;Gentamicin is a clinically valuable aminoglycoside antibiotic to treat Gram-negative bacterial infections. 3',4'-didehydroxylation of gentamicin contributes to decrease susceptibility to the phosphorylation by the aminoglycoside-modifying enzymes of resistant pathogens, thereby increasing their efficacy as antibiotics. Therefore, the identification of 3', 4'-didehydroxylation mechanism in gentamicin biosynthesis plays an important role in developing novel gentamicin derivatives. In the biosynthetic pathway of gentamicin, there are two proposed parallel pathways from gentamicin X2 and G418 leading to gentamicin C complex. We have carried out targeted mutation of individual genes possessing significant sequence similarity with those from sisomicin and fortimicin which also contain 3',4'-didehydroxylated structure. The gene inactivation study demonstrated that genG, genF and genD3 genes are not only involved in biosynthetic pathway from gentamicin X2 to gentamicin C1a and C2b, but are also necessary in the other pathway from G418 to gentamicin C1, C2 and C2a. In terms of production of each mutant strain, these three genes preferentially contribute to the biosynthesis of gentamicin C1a and C2b from gentamicin X2. However, deletion of genW abolish of the production of gentamicin C complex. These results suggest that genW plays a critical role in gentamicin biosynthesis.