New bioactive secondary metabolites from cyanobacteria

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0274-4
Title: New bioactive secondary metabolites from cyanobacteria
Author: Liu, Liwei
Other contributor: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos
Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, institutionen för livsmedels- och miljövetenskaper
University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-10-24
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0274-4
http://hdl.handle.net/10138/136091
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cyanobacteria are one of the most widespread microorganisms on earth, and they are found in almost all ecosystems, from fresh and marine water to terrestrial environments. Cyanobacteria received a great deal of attention as prolific producers of bioactive secondary metabolites. The aim of this study was to screen and characterize novel bioactive natural products, which present biological activity against acute myeloid leukemia (AML) cells, trypsin, and hepatotoxin microcystin/nodularin, from cyanobacteria isolated from different habitats. Of 40 cyanobacteria strains isolated from the Baltic Sea shore and lichen symbiosis were used to look for anti-cancer compounds which could induce apoptosis of AML cells. Half of these cyanobacteria strains contain apoptosis-inducing anti-AML activity, and seven cell extracts contain potent apoptosis-induced activities against AML. Two of apoptogens were confirmed to be new variants of hassallidin and scytophycin. Cyanobacteria produce a plethora of serine protease inhibitors with a broad range of chemical structures. Nostosins, new trypsin inhibitors, were discovered through the analysis of secondary metabolites in methanol extracts of Nostoc sp. FSN. The data showed that they were linear peptides with three residues: Hhpba, L-Ile and L-argininal/argininol. Nostosin A and B inhibited trypsin with IC50 values of 0.35 μM and 55 μM, respectively. Computer docking data indicated that the argininal aldehyde and guanidino groups played the most crucial role in the efficient inhibition of trypsin. The bloom-forming cyanobacterium Nodularia spumigena has been reported to produce several bioactive peptides. In this study, Nodularia spumigena strains from the Baltic Sea were discovered to produce new hybrid peptides named as pseudoaeruginosins. Because of the low abundance in cyanobacteria strains, pseudoaeruginosins were chemically synthesized and the structure was confirmed with LC-MS and NMR. Pseudoaeruginosins contained all the structure blocks of aeruginosin NAL2 except that the Choi was replaced by 4-methylproline (4-mPro), which is a specific subunit of spumigins in N. spumigena. The aldehyde group containing pseudoaeruginosin NS1 exhibited IC50 of 0.19 μM against porcine trypsin. The biosynthesis of pseudoaerugnosins was proposed to be a joint action of aeruginosin and spumigin biosynthesis pathways in N. spumigena. 4-mPro is a rare non-proteinogenic amino acid, which has been found in a small number of bioactive compounds identified from cyanobacteria. A combination of PCR and LC-MS were used to screen 116 cyanobacteria strains for the production of 4-mPro. A total of 12 strains were confirmed to produce 4-mPro, and eleven new cyclic peptides belonging to two groups were identified from two Nostoc spp. XPORK 5A and UK2aImI strains, respectively. Among 11 peptides, the tested five could inhibit the organic anion transporters OATP1B1/B3 to block the induction of apoptosis of hepatocytes by microcystin/nodularin. In this research, a total of two new trypsin inhibitors and five new cyclic peptides with the antitoxic bioactivity against microcystin/nodularin were identified. It was shown that cyanobacteria from both marine and terrestrial environments are a good resource for discovering new bioactive compounds. These findings increased the diversity of bioactive secondary metabolites characterized from cyanobacteria and provide new leads for drug research.Syanobakteerit ovat yksi kaikkein laajimmalle levinneitä organismeja maapallolla ja niitä löydetään lähes kaikista ekosysteemeistä sekä makeista ja merivesistä että maaympäristöistä. Syanobakteerit ovat saaneet huomiota koska ne tuottavat runsaasti bioaktiivisia sekundääri-metaboliitteja. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli erilaisista ympäristöistä eristettyjen syanobakteerien seulonta ja uusien bioaktiivisten luonnonaineiden karakterisointi, joilla on biologista aktiivisuutta akuuttimyeloidisia leukemia (AML) soluja, trypsiiniä ja hepatotoksiineja, mikrokystiinejä/nodulariineja, vastaan. Neljästäkymmenestä syanobakteerista, jotka oli eristetty Itämeren rannoilta ja jäkäläsymbiooseista, tutkittiin syöpään vaikuttavia yhdisteitä mitkä voisivat aiheuttaa apoptoosia AML soluissa. Puolet näistä tutkituista syanobakteerikannoista sisälsivät apoptoosia aiheuttavaa anti-ALM aktiivisuutta ja seitsemän solu-uutetta sisälsi voimakasta aktiivisuutta AML:ää vastaan. Kahden apoptogeenin varmistettiin olevan uusia hassallidiini ja skytofysiini variantteja. Syanobakteerit tuottavat suuren määrän kemialliselta rakenteeltaan laajasti vaihtelevia seriini-proteaasi-inhibiittoreita. Nostosiinit, uudet trypsiini-inhibiittorit, löydettiin tutkimalla sekundäärimetaboliitteja Nostoc sp. FSN kannan metanoli-uutteesta. Havaittiin että nostosiinit ovat lineaarisia kolmesta yksiköstä koostuvia peptidejä; Hhpba,L-Ile ja L-argininaali/argininoli. Nostosiinit A ja B inhiboivat trypsiiniä IC50 arvoilla 0,35 μM ja 55 μM. Tietokonemallinnusanalyysi viittasi siihen että argininaalin aldehydi- ja guanidino-ryhmä ovat tärkeimmässä roolissa trypsiinin tehokkassa inhibiittiossa. Kukintoja muodostavan Nodularia spumigena- syanobakteerin on raportoitu tuottavan useita bioaktiivisia peptidejä. Tässä tutkimuksessa Itämeren Nodularia spumigena- kantojen havaittiin tuottavan uusia peptidejä, jotka nimettiin pseudoaeruginosiineiksi. Koska pseudoaeruginosiinejä oli syanobakteerikannoissa vähän, niitä syntetisoitiin kemiallisesti ja rakenne varmistettiin LC-MS ja NMR analyysien avulla. Pseudoaeruginosiinit sisälsivät kaikki aeruginosiini NAL2 n rakenneosat paitsi Choi oli korvautunut 4-metyyliproliinilla (4-mPro), joka on spesifinen N. spumigena n spumigiini peptidien alayksikkö. Aldehydiryhmän sisältävä pseudoaeruginosiini NS1 inhiboi trypsiiniä IC50 arvolla 0.19 μM. Pseudoaeruginosiinien biosynteesin arveltiin olevan aeruginosiini- ja spumigiini-biosynteesireittien yhteistyötä N. spumigena:ssa. 4-mPro on harvinainen aminohappo, joka ei proteiineissa esiinny, mutta joka on löydetty muutamista syanobakteereista identifioiduista bioaktiivisista yhdisteistä. PCR- ja LC-MS- tutkimusten avulla seulottiin 116 syanobakteerikannan 4-mPro tuottoa. Kaikkiaan 12 kannan varmistettiin tuottavan 4-mPro:ta ja kahdesta Nostoc spp. XPORK 5A ja UK2aImI kannasta tunnistettiin yksitoista kahteen eri ryhmään kuuluvaa uutta rengasrakenteista peptidiä. Näistä 11 peptidistä kaikkiaan 5 testattua inhiboi orgaanisten anionien kuljettajia OATP1B1/B3 ja ne estivät mikrokystiinien ja nodulariinin aiheuttamaa maksasolujen apoptoosia. Tässä tutkimuksessa tunnistettiin kaikkiaan kaksi uutta trypsiini-inhibiittoria ja 5 uutta rengasrakenteista peptidiä, joilla on mikrokystiineille ja nodulariinille antitoksisia vaikutuksia. Havaittiin, että sekä merestä että maalta eristetyt syanobakteerit ovat hyvä uusien bioaktiivisten yhdisteiden lähde. Nämä löydökset lisäsivät syanobakteereista karakterisoitujen bioaktiivisten aineiden diversiteettiä ja tarjoavat uusia aihiota lääkkeiden lähteeksi.
Subject: microbiology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
newbioac.pdf 1.020Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record