Onderzoekers van de Universiteit van Kansas hebben een sleutelrol gespeeld bij het ontcijferen van een voorheen ongeïdentificeerd cluster van genen die verantwoordelijk zijn voor de productie van sartorypyrones, een chemische stof gemaakt door de schimmelpathogeen Aspergillus fumigatus, wiens familie Aspergillose bij mensen veroorzaakt.

Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd inChemical Science .

Aspergillose bedreigt jaarlijks het leven van meer dan 300.000 mensen. Een beter begrip van de genen die verantwoordelijk zijn voor de chemicaliën (of 'secundaire metabolieten') geproduceerd door A. fumigatus en zijn schimmelverwanten zou onderzoekers kunnen helpen effectievere antischimmelmedicijnen te ontwikkelen.

"Schimmelinfecties vormen een aanzienlijke uitdaging en hebben meer aandacht gekregen in de media, inclusief wetenschappelijke rapporten", zegt corresponderende auteur Berl Oakley, Irving S. Johnson Distinguished Professor of Molecular Biology aan de KU.

“Een van de problematische organismen is een schimmel die bekend staat als Aspergillus fumigatus. De meerderheid van de individuen die lijden aan ernstige pathogene schimmelinfecties valt in de categorie van immuungecompromitteerden, zoals individuen die een kankerbehandeling ondergaan of degenen die in sub-Sahara Afrika leven, waar een aanzienlijk aantal mensen die getroffen zijn door AIDS krijgen geen medicijnen."

Oakley en zijn co-auteurs waren geïnteresseerd in de manier waarop Aspergillus fumigatus secundaire metabolieten produceerde, die vaak in aanmerking worden genomen vanwege hun medicinale potentieel (ook al zijn ze moeilijk te bestuderen in het laboratorium) omdat ze zo biologisch actief zijn.

"Studies hebben talloze genenclusters in schimmels geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor de productie van deze metabolieten", zei hij.

"Maar deze verbindingen worden doorgaans niet onder standaard laboratoriumomstandigheden geproduceerd, waardoor veel van hun eigenschappen niet in kaart zijn gebracht. Deze metabolieten zijn weliswaar niet essentieel voor de groei van een organisme, maar bieden selectieve voordelen. Ze kunnen beschermen tegen factoren zoals UV-straling en kunnen concurrerende soorten remmen. Sommige van deze secundaire metabolieten vertonen bio-activiteiten die gunstig zijn voor verschillende doeleinden. Anderen dragen bij aan pathogene effecten, waaronder onderdrukking van het immuunsysteem."

Om de genen in Aspergillus fumigatus die secundaire metabolieten tot expressie brengen te isoleren en analyseren, heeft het team een ​​groep van deze genen – een biosynthetisch gencluster (BGC) genoemd – overgebracht naar een verwante stam van Aspergillus, A. nidulans, en deze vervolgens geactiveerd. A. nidulans is door onderzoekers aangepast als modelschimmelsoort voor deze techniek, die 'heterologe expressie' wordt genoemd.

"We kunnen dan de verbindingen die ze produceren in het laboratorium observeren," zei Oakley. "In één geval onthulde een genencluster de synthese van sartorypyronen, een groep verbindingen met beperkte voorkennis van hun productie."

Het onderzoeksteam noemde het genencluster dat verantwoordelijk is voor deze verbindingen de "spion BGC" (spion staat voor sartorypyrones). Ze analyseerden de verbindingen geproduceerd door de spionage-BGC met behulp van elektrospray-ionisatie-massaspectrometrie met hoge resolutie, nucleaire magnetische resonantie en microkristallijnelektronendiffractie (MicroED) om 12 chemische producten van de spionage-BGC te identificeren.

Oakley leidde het werk samen met zijn langdurige medewerker en corresponderende auteur Clay C.C. Wang van de Universiteit van Zuid-Californië. Aan de KU voerde Oakley het onderzoek uit samen met C. Elizabeth Oakley en promovendus Cory Jenkinson. Andere co-auteurs waren Shu-Yi Lin en Paul Seidler van USC; Yi-Ming Chiang van de Medische Universiteit van Taipei; Ching-Kuo Lee, Christopher Jones en Hosea Nelson van het California Institute of Technology; en Richard Todd van de Kansas State University

Ze melden dat zeven van de verbindingen nog niet eerder waren geïsoleerd.

"De spionage-BGC bestaat uit zes aaneengesloten genen die betrokken zijn bij de biosynthese van de sartorypyrones", rapporteren ze. "We waren in staat een biosynthetische route voor deze familie van verbindingen voor te stellen. Onze aanpak om het hele gencluster in het gederepliceerde gastheersysteem van A. nidulans te refactoreren, biedt ons een eenvoudige manier om de biosynthetische route te ontleden."

Oakley zei dat dezelfde techniek zou kunnen leiden tot meer doorbraken in het begrijpen van A. fumigatus en andere schimmelpathogenen. De resultaten zouden kunnen leiden tot nieuwe therapieën voor schimmelinfecties en tot milieuvriendelijke industriële toepassingen. Een van Oakley's andere onderzoekslijnen maakte bijvoorbeeld gebruik van genetisch gemodificeerde A. nidulans om plastic uit de oceaan om te zetten in grondstoffen voor de farmaceutische industrie.

Hij zei dat het huidige artikel een proof-of-principle weerspiegelt.

"We willen graag de resterende secundaire metabolietgenclusters tot expressie brengen, zodat we weten wat ze allemaal maken," zei hij. ‘We weten al wat er zo’n vijftien van hen maken. We weten dat het een ernstige ziekteverwekker is, en we kennen enkele van de secundaire metabolieten die bijdragen aan de pathogenese. Maar we kennen niet alle secundaire metabolietenclusters. Als we ze eruit halen, kunnen onderzoekers die informatie therapeutisch gebruiken om de mechanismen van infectie te begrijpen en manieren te bedenken om infectie te beperken."

Oakley waarschuwde echter dat de economische realiteit van de productie van antischimmelmedicijnen de snelle ontwikkeling van nieuwe medicijnen zou kunnen belemmeren.

"We hebben meer antibiotica en meer antischimmelmiddelen nodig", zei hij. "Maar ze zijn niet winstgevend. Een winstgevend middel is iets dat ze dertig jaar lang aan mensen kunnen geven, niet iets dat je een week lang geeft en dat het probleem oplost. Er is dus niet veel financiële prikkel. Je kunt het beste antibioticum bedenken in de wereld; ze zullen het op de plank laten liggen omdat het het laatste redmiddel zal zijn, en ze zullen het alleen gebruiken als de andere niet werken."

Meer informatie: Shu-Yi Lin et al, Een heteroloog expressieplatform in Aspergillus nidulans voor de opheldering van cryptische biosynthetische genclusters met secundair metabolisme:ontdekking van de biosynthetische route van Aspergillus fumigatus sartorypyrone, Chemische Wetenschap (2023). DOI:10.1039/D3SC02226A

Journaalinformatie: Chemische Wetenschap

Aangeboden door Universiteit van Kansas