SDR-catalyzed redox reactions: structural insights into biosynthetic and biocatalytic diversity

Abstract: Kurzkettige Dehydrogenasen/Reduktasen (SDRs) sind NAD(P)H-abhängige Oxidoreduktasen, die an einer Vielzahl von Biotransformationen beteiligt sind und eine wichtige Rolle in allen Domänen des Lebens spielen. Ihre lange Evolutionsgeschichte führte zu einer großen Vielfalt in Bezug auf das Substratspektrum und die katalytische Aktivität innerhalb einer im Allgemeinen hoch konservierten Proteinstruktur.
Ein bekanntes Beispiel für eine SDR-katalysierte Reaktion ist die Reduktion von polyhydroxylierten Naphthalenverbindungen in der Melaninbiosynthese von Pilzen, z. B. in Magnaporthe grisea, dem wichtigsten Pflanzenpathogen von Reiskulturen. Es hat sich gezeigt, dass dieser Reaktionstyp nicht nur einen katabolen Prozess in Dehydroxylierungsreaktionen darstellt, sondern auch sekundäre Alkohole mit hoher Stereoselektivität bildet, was die entsprechenden Enzyme für biotechnologische Anwendungen interessant macht. Ein Grund für diese natürliche Diversität ist ein komplexes Netzwerk von oxidierten und reduzierten Zwischenprodukten der polyhydroxylierten- und naphtho(hydro)chinoiden Verbindungen. In dieser Arbeit wurde die heterologe Produktion von zwei weiteren pilzlichen SDRs, Tri- und Tetrahydroxynaphthalen-Reduktase aus Neofusicoccum parvum (N. parvum), in E. coli etabliert und die Enzyme auf ihre Fähigkeit zur Keto-Reduktion getestet. Neben der Untersuchung ihrer biokatalytischen Eigenschaften bei der stereoselektiven Herstellung von 1,2 dihydroxylierten Verbindungen wurde der Substratbereich der SDR katalysierten Reduktion auf 1 Methyl-2-tetralon erweitert. Für die Umsetzung mit N. parvum Trihydroxynaphthalen-Reduktase wurde für das entsprechende 1-Methyl-2-hydroxy-Produkt, im Gegensatz zur zweifachen Reduktion von 2 Hydroxynaphthochinonen, die bevorzugte Bildung des trans-konfigurierten Produkts nachgewiesen.
Ein Hydrochinon-Zwischenprodukt spielt auch bei der reduktiven Dearomatisierung des Anthrachinons Emodin durch die SDR MdpC aus Aspergillus nidulans eine Rolle. MdpC ist Teil des Genclusters für die Biosynthese von Monodictyphenon und an der komplexen Biosynthese von Xanthonen aus dem Anthrachinon Emodin beteiligt. Das Produkt der MdpC-katalysierten Reduktion hat sich bereits als Verzweigunspunkt in der Bildung mehrerer komplexer Folgeprodukte erwiesen. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit die Reaktivität dieser Verbindung und weitere an diesem Biosyntheseweg beteiligte Enzyme untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehydratase MdpB durch Bildung von Chrysophanolhydrochinon an der weiteren biosynthetischen Kaskade beteiligt ist. Dies ermöglicht tiefere Einblicke in die Xanthon-Biosynthese und unterstreicht gleichzeitig die generell wichtige Rolle von reduzierten Hydrochinon-Zwischenprodukten für die Biotransformation.
Die dreidimensionale Struktur von MdpC wurde durch Röntgenproteinkristallographie in einem Komplex mit NADP+ und Emodin gelöst, was wertvolle Einblicke in die SDR-katalysierte Reduktion von Anthra(hydro)chinonen liefert. Dieser strukturelle Ansatz wurde auf weitere SDRs ausgedehnt, die aufgrund einer breiten katalytischen und Substrat-Promiskuität ein breites Spektrum an Reduktionen katalysieren: eine Glucose-Dehydrogenase aus Bacillus subtilis (Bs_GDH) und eine SDR aus Zephyranthes treatiae (Zt_SDR). Bs_GDH, ursprünglich für die Kofaktorregeneration von NAD(P)H durch Oxidation von D-Glucose eingesetzt, reduziert auch Keto- und Iminiumverbindungen. Zt_SDR ist darüber hinaus auch gegenüber Iminverbindungen aktiv und vereint somit Imin-, Iminium- und Keto-reduzierende Funktionen in einem Enzym. In einer vergleichenden Studie wurden die Unterschiede zwischen den Proteinstrukturen untersucht, um diese katalytische Divergenz zu erklären und ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen. Die Studie kann darüber hinaus als Grundlage für zukünftige biokatalytische Anwendungen und strukturgeleitetes rationales Design von SDRs zur Herstellung von enantiomerenreinen Alkoholen und Aminen dienen
Abstract: Short-chain dehydrogenases/reductases (SDRs) are NAD(P)H-dependent oxidoreductases being involved in a wide range of biotransformations and playing an important role in all domains of life. Their long evolutionary history led to a broad diversity regarding substrate scope and catalytic activity within a generally highly conserved protein structure.
A well-known example of an SDR-catalyzed reaction is the reduction of polyhydroxylated naphthalene compounds in fungal melanin biosynthesis, e.g., in Magnaporthe grisea, the most important plant pathogen of rice crops. It has been shown that this type of reaction not only represents a catabolic process in dehydration reactions, but also forms secondary alcohols with high stereoselectivity, which in consequence makes the corresponding enzymes interesting for biotechnological approaches. One reason for this natural product divergence is a sophisticated network of oxidized and reduced intermediates of polyhydroxylated- and naphtho(hydro)quinoid compounds. In this work, the heterologous production of two further fungal SDRs,
tri- and tetrahydroxynaphthalene reductase from Neofusicoccum parvum (N. parvum), was established in E. coli and the enzymes were tested for keto reduction. Beyond the investigation of their biocatalytic properties in the stereoselective production of 1,2-dihydroxylated compounds, the substrate range of SDR-catalyzed reduction was extended to 1 methyl 2 tetralone. In contrast to twofold reduction of 2 hydroxynaphthoquinones, a preferred formation of the trans-configured product was demonstrated for the corresponding 1 methyl-2-hydroxy product after reduction with trihydroxynaphthalene reductase from
N. parvum.
A hydroquinone intermediate also plays a role in the reductive dearomatization of the anthraquinone emodin by the SDR MdpC from Aspergillus nidulans. MdpC is part of the monodictyphenone biosynthetic gene cluster and involved in the complex fungal biosynthesis of xanthones from the anthraquinone emodin as precursor. The product of the MdpC-catalyzed reduction has previously been shown to be a branching point leading to several follow-up products. Therefore, the reactivity of this compound and further enzymes involved in this biosynthetic pathway were investigated within this work. It was shown that MdpB, a fungal dehydratase, extends the cascade by formation of chrysophanol hydroquinone. This provides deeper insights into xanthone biosynthesis and at the same time underlines the important role of reduced hydroquinone intermediates for biotransformation.
The three-dimensional structure of MdpC was solved by X-ray protein crystallography in complex with NADP+ and emodin, providing valuable insights into the SDR-catalyzed reduction of anthra(hydro)quinones. This structural approach was extended to further SDRs which have previously been shown to catalyze a wide range of reduction reactions due to a broad catalytic- and substrate promiscuity: a glucose dehydrogenase from Bacillus subtilis (Bs_GDH), and an SDR from Zephyranthes treatiae (Zt_SDR). Bs_GDH, initially used for cofactor regeneration of NAD(P)H through oxidation of D-glucose, is also able to reduce keto and iminium compounds. Zt_SDR is in addition active towards imine compounds and thus combining imine-, iminium-, and keto-reducing functions within one enzyme. In a comparative study, the differences between the protein structures were examined to explain this catalytic divergence, providing a better understanding of the underlying mechanisms. The study can serve furthermore as a basis for future biocatalytic applications and structure-guided rational design of SDRs regarding the production of enantiopure alcohols and amines

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Classification and Topics

• Keyword: Enzymkatalyse ; Biokatalyse ; Biosynthese ; Biokatalyse ; Kristallstrukturanalyse ; Oxidoreductasen ; Sekundärmetabolit

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2022
• Creator: Steimle, Simon
• Contributor: Müller, Michael ; Müller, Michael ; Bechthold, Andreas ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/225822
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2258225
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:43 PM CET