KR20210019291A - Bioconversion method for cleavage of C-C bond in steroid using CYP154C8 - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a bioconversion method for steroids, comprising a step of cleaving a C-C bond of carbons 17 and 20 of steroids by using CYP154C8. According to the present invention, a bioconversion method for cleavage of a C-C bond in steroids using a CYP154C8 enzyme bioconverts existing steroids, thereby being useful as a drug development method which can be applied to a wide range of fields including preservatives, pharmaceutical compounds, pesticides, biofuels, bioremediations, and biodegradations in a pharmaceutical field related to organic synthesis.

Description

CYP154C8 효소를 이용한 스테로이드의 탄소-탄소 결합 절단을 위한 생물전환 방법{Bioconversion method for cleavage of C-C bond in steroid using CYP154C8}Bioconversion method for cleavage of C-C bond in steroid using CYP154C8 enzyme

본 발명은 CYP154C8 효소를 이용한 스테로이드의 탄소-탄소 결합 절단을 위한 생물전환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 NADPH 또는 산화제 존재 하에서 CYP154C8 효소를 이용하여 스테로이드의 C17 및 C20 위치에서 탄소-탄소 결합을 절단시키는 생물전환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bioconversion method for cleaving carbon-carbon bonds of steroids using CYP154C8 enzyme, and more particularly, cleaving carbon-carbon bonds at positions C17 and C20 of steroids using CYP154C8 enzymes in the presence of NADPH or an oxidizing agent. It relates to a method of biotransformation.

사이토크롬 P450(CYP) 효소는 히드록시화(hydroxylation), 에폭시화(epoxidation), 탈알킬화(dealkylation), 탈아민화(deamination), 탈수화(dehydrogenation), 탈수소화(dehydration), 탈할로겐화(dehydrogenation), 탈메틸화(demethylation) 및 탄소(C)-탄소(C) 결합 절단와 같은 다양한 반응을 촉매하는 것으로 잘 알려져 있는 헤모단백질(hemoprotein)의 슈퍼패밀리이다. CYP 효소는 약물 대사, 스테로이드 생합성 및 생체 이물질(xenobiotic)의 해독을 포함하는 다양한 화학적 공정에서 중요한 역할을 한다. 대부분의 CYP 효소는 O2에서 H2O로 산소 원자를 환원시키기 위해 NADPH 또는 NADH로부터 2개의 전자를 전달할 수 있는 산화·환원(redox) 파트너 단백질을 필요로 한다. 박테리아에서, CYP는 처음에는 주로 에너지의 공급원(source)인 외인성 기질의 이화작용(catabolism)에 주로 관여하는 것으로 여겨졌다. 그러나, CYP는 2차 대사에서도 중요한 역할을 하는 것이 보고되었다. 박테리아에서 많은 수의 CYP에 대한 기질은 알려지지 않았지만, CYP는 기질 내에서 다양한 역할을 갖고 있다(Kelly SL et al., Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013, 368, 20120476).Cytochrome P450 (CYP) enzyme is hydroxylation, epoxidation, dealkylation, deamination, dehydrogenation, dehydration, dehydrogenation. It is a superfamily of hemoproteins well known to catalyze various reactions such as demethylation and cleavage of carbon (C)-carbon (C) bonds. CYP enzymes play an important role in a variety of chemical processes, including drug metabolism, steroid biosynthesis, and detoxification of xenobiotics. Most CYP enzymes require a redox partner protein that can transfer two electrons from NADPH or NADH to reduce the oxygen atom from O 2 to H 2 O. In bacteria, CYP was initially thought to be primarily involved in the catabolism of exogenous substrates, which are primarily sources of energy. However, it has been reported that CYP also plays an important role in secondary metabolism. Substrates for a large number of CYPs in bacteria are unknown, but CYP has various roles within the substrate (Kelly SL et al., Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013, 368, 20120476).

C-C 결합 절단 반응은 특히, 세균 공급원 유래의 CYP 효소에 있어서 일반적인 것은 아니다. C-C 결합 절단 반응을 포함한 일부의 잘 알려진 반응은 CYP51[라노스테롤 14α-디메틸라제(lanosterol 14α-demethylase)], CYP11(콜레스테롤 cholesterol 측쇄 절단), CYP17(C17α-C20라제) 및 CYP19[아로마타제(aromatase)]에 의해 촉매된다. OleT(CY152L1), BSβ(cyp152A1), CYP51 및 P450BioI(CYP107H1)는 지방산과의 C-C 결합 절단 반응을 촉매하는 세균 공급원으로부터 분리된 유일하게 알려진 CYP이다.CC bond cleavage reactions are not particularly common for CYP enzymes derived from bacterial sources. Some of the well-known reactions, including CC bond cleavage reactions, are CYP51 [lanosterol 14α-demethylase], CYP11 (cholesterol side chain cleavage), CYP17 (C17α-C20ase) and CYP19 [aromatase. )]. OleT (CY152L1), BSβ (cyp152A1), CYP51 and P450 BioI (CYP107H1) are the only known CYPs isolated from bacterial sources that catalyze CC bond cleavage reactions with fatty acids.

최근에, 버섯 Marusmius rotula(MroUPO) 및 Marasmius wettsteinii(MweUPO) 유래의 2개의 비특이적 퍼옥시게나제(peroxygenase)가 단계적 산소 공급(oxygenation)과 최종 C-C 결합 절단을 통해 코르티코스테로이드[코르티손(cortisone), 11-디옥시코르티솔(11-deoxycortisol) 및 프레드니손(prednisone)]의 선택적 탈아실화를 촉매하는 것이 보고되었다[Ullrich R, et al., J Inorg Biochem 183, 8493]. C-C 결합에 대한 효소적 절단는 인접한 곳에서 순차적인 산화 반응으로 밝혀졌으며, 일반적으로 단일 CYP에 의해 촉진된다. 이러한 반응은 불안정한 중간체를 생성하여, 관련 메커니즘에 대한 조사 및 그 특성화가 어려운 작업이 되게 한다.Recently, two non-specific peroxygenases from the mushrooms Marusmius rotula (MroUPO) and Marasmius wettsteinii (MweUPO) are corticosteroids (cortisone, 11- It has been reported to catalyze the selective deacylation of deoxycortisol (11-deoxycortisol and prednisone) [Ullrich R, et al., J Inorg Biochem 183, 8493]. Enzymatic cleavage of CC bonds has been shown to be a sequential oxidation reaction in the immediate vicinity, and is generally promoted by a single CYP. These reactions produce unstable intermediates, making it difficult to investigate and characterize the mechanisms involved.

CYP에 의해 촉매된 히드록시화 반응은 Fe4+-oxo 중간체를 사용하는데, 화합물 Ⅰ(compound Ⅰ)로도 알려져 있지만, 17A1, 19A1, 및 51A1을 포함하는 CYP로 촉매된 C-C 절단 반응에서 페릭 퍼옥사이드(ferric peroxide, FeO2 -) 대(versus) 퍼페릴(perferryl, FeO3+, compound Ⅰ)의 참여가 오랫동안 관심을 받아온 동시에 논쟁 하에 있었다. 최근에 알켄(alkene)의 합성을 위한 지방산에 대한 C-C 결합 절단을 촉매하는 것으로 공지한 OleT 과산화물-의존성 CYP에 대한 연구가 있었으며, CYP 화합물 Ⅰ종이 산소원자 재결합(oxygen rebound)을 포함하지 않는 반응을 촉매할 수 있음을 나타내었다[Grant JL, et al., Proc Natl Acad Sci USA 2016, 113, 10049-10054; Grant JL, et al., J Am Chem Soc 2015, 137, 4940-4943].The hydroxylation reaction catalyzed by CYP uses a Fe 4+ -oxo intermediate, also known as compound I, but ferric peroxide in a CYP-catalyzed CC cleavage reaction including 17A1, 19A1, and 51A1. (ferric peroxide, FeO 2 -) vs. (versus) spread tocopheryl was under a debate which has been a long-time interest in participation (perferryl, FeO 3+, compound ⅰ ). Recently, there has been a study on OleT peroxide-dependent CYP, which is known to catalyze the cleavage of CC bonds to fatty acids for the synthesis of alkenes, and the CYP compound I is a reaction that does not involve oxygen rebound. It has been shown to be able to catalyze [Grant JL, et al., Proc Natl Acad Sci USA 2016, 113, 10049-10054; Grant JL, et al., J Am Chem Soc 2015, 137, 4940-4943].

CYP-촉매성 C-C 결합 절단의 역할은 유기 합성에서의 잠재적인 활용으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 도전적인 반응은 방부제, 제약 화합물, 살충제, 생물 연료로의 주료 화학물질의 활용, 생물학적 복원(bioremediation) 및 생분해(biodegradation)를 포함하는 광범위한 응용 분야로 인해 현재 상당한 관심을 받고 있다. 더욱 중요한 것은, 생물학적 시스템에서 리아제(lyase) 활성이 널리 알려져 있음에도 불구하고, 현재까지 그 메커니즘이 명확하게 확인되지 않았다.The role of CYP-catalytic C-C bond cleavage has attracted much attention due to its potential application in organic synthesis. These challenging reactions are currently of considerable interest due to a wide range of applications including preservatives, pharmaceutical compounds, pesticides, utilization of main chemicals as biofuels, bioremediation and biodegradation. More importantly, although the lyase activity in biological systems is widely known, the mechanism has not been clearly identified to date.

일본 특허등록 JP5800040(2015.09.04.)Japanese patent registration JP5800040 (2015.09.04.) 미국 특허공개 US2,902,410 A(1959.09.01.)US Patent Publication US2,902,410 A (1959.09.01.)

Bilash Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077Bilash Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077 Fatbardha Varfaj, et al., Drug Metab Dispos 2014, 42, 828-838Fatbardha Varfaj, et al., Drug Metab Dispos 2014, 42, 828-838 Job L. Grant, et al., PNAS 2016, 113(36), 10049-10054Job L. Grant, et al., PNAS 2016, 113(36), 10049-10054

본 발명의 발명자들은 프레드니손(prednisone), 프레드니솔론(prednisolone), 코르티손(cortisone), 히드로코르티손(hydrocortisone)과 같은 스테로이드 기질(도 1 참조)의 C-C 결합 절단을 촉매하는 최초의 박테리아성 CYP인 CYP154C8을 확인하였다. 현재까지 기질로서의 스테로이드와의 C-C 결합 절단 반응은 어떠한 미생물 CYP에 대해서도 보고된 적이 없었다. CYP154C8은 이전에 NADH 및 대체 산화·환원 파트너인 푸티다레독신 및 푸티다레독신 환원효소로 재구성된 반응에서 스테로이드 기질의 모노-히드록시화 생성물을 합성하는 것이 보고되었다. 여기에서의 반응은 NDADPH 및 시금치 페레독신 및 페레독신 환원효소에 의해 뒷받침되었고, 산소 대체물인 다이아세톡시요오드벤젠(diacetoxyiodobenzene, PIDA) 및 과산화수소(H2O2)와 함께 시험관 내 반응을 각각 수행하였다.The inventors of the present invention identified CYP154C8, the first bacterial CYP that catalyzes the CC bond cleavage of steroid substrates (see FIG. 1) such as prednisone, prednisolone, cortisone, and hydrocortisone. I did. Until now, the CC bond cleavage reaction with steroids as a substrate has not been reported for any microbial CYP. CYP154C8 has previously been reported to synthesize mono-hydroxylated products of steroid substrates in reactions reconstituted with NADH and alternative oxidation-reduction partners, putidaredoxin and putidaredoxin reductase. The reaction here was supported by NDADPH, spinach ferredoxin, and ferredoxin reductase, and in vitro reactions were carried out with oxygen substitutes diacetoxyiodobenzene (PDA) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), respectively. .

따라서, 본 발명은 NADPH 또는 특정 산화제 존재 하에서 탄소-탄소 결합 절단을 촉매하는 CYP154C8 효소를 이용한 스테로이드의 생물전환 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for bioconversion of steroids using CYP154C8 enzyme that catalyzes carbon-carbon bond cleavage in the presence of NADPH or specific oxidizing agents.

본 발명의 일 측면에 따라, CYP154C8을 이용하여 스테로이드의 17번 탄소 및 20번 탄소의 C-C 결합을 절단시키는 단계를 포함하는 스테로이드의 생물전환 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for bioconversion of a steroid comprising the step of cleaving the C-C bond of carbon 17 and carbon 20 of the steroid using CYP154C8.

일 구현예에서, 상기 스테로이드는 프레드니손, 프레드니솔론, 코르티손 및 히드로코르티손으로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택할 수 있다.In one embodiment, the steroid may be one or more selected from the group consisting of prednisone, prednisolone, cortisone and hydrocortisone.

일 구현예에서, 상기 절단은 산화·환원 단백질 페레독신(ferredoxin, Fdx) 및 페레독신 환원 효소(ferredoxin reductase, Fdr)를 이용한 NADPH 의존성 시스템 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 Fdx는 0.1 내지 100 μM이고, Fdr은 0.01 내지 10 U일 수 있다. 또한, 상기 NADPH는 10 내지 1000 μM일 수 있고, 상기 NADPH 의존성 시스템은 글루코스 6-포스페이트, 글루코스 6-포스페이트 디히드로게나제 및 카탈라제를 포함할 수 있다.In one embodiment, the cleavage may be performed in the presence of a NADPH-dependent system using redox proteins ferredoxin (Fdx) and ferredoxin reductase (Fdr). The Fdx may be 0.1 to 100 μM, and the Fdr may be 0.01 to 10 U. In addition, the NADPH may be 10 to 1000 μM, and the NADPH dependent system may include glucose 6-phosphate, glucose 6-phosphate dehydrogenase, and catalase.

일 구현예에서, 상기 절단은 다이아세톡시요오드벤젠 또는 H2O2의 산화제 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 다이아세톡시요오드벤젠은 0.1 내지 50 mM일 수 있다. 또한, 상기 H2O2는 1 내지 100 mM일 수 있다.In one embodiment, the cleavage may be performed in the presence of an oxidizing agent of diacetoxyiodobenzene or H 2 O 2 . The diacetoxyiodobenzene may be 0.1 to 50 mM. In addition, the H 2 O 2 may be 1 to 100 mM.

일 구현예에서, 상기 CYP154C8은 0.1 내지 100 μM일 수 있다.In one embodiment, the CYP154C8 may be 0.1 to 100 μM.

일 구현예에서, 상기 생물전환 방법은 pH 4 내지 10에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the bioconversion method may be performed at pH 4 to 10.

일 구현예에서, 상기 생물전환 방법은 20 내지 40 ℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the bioconversion method may be carried out at 20 to 40 °C.

본 발명에 의해, NADPH 또는 다이아세톡시요오드벤젠 또는 H2O2의 산화제 존재 하에서 CYP154C8 효소를 이용하여 스테로이드의 탄소-탄소 결합을 절단시키는 생물전환 방법은 C-C 결합 절단을 촉매하는 최초의 박테리아성 CYP450 효소를 이용한 생물전환 방법임이 밝혀졌다. 또한, CYP154C8을 이용한 종래의 NADH-의존성 시스템에서 확인된 모노-히드록시화된 생성물 이외에 NADPH 또는 다이아세톡시요오드벤젠 또는 H2O2의 산화제를 이용한 시스템에서는 디-히드록시화된 생성물, 디-히드록시화된 생성물에 대한 산화 생성물, C-C 결합 절단물 및 C-C 결합 절단물의 히드록시화 생성물 등의 다양한 분포를 나타내었다.According to the present invention, the bioconversion method of cleaving carbon-carbon bonds of steroids using the CYP154C8 enzyme in the presence of NADPH or diacetoxyiodobenzene or H 2 O 2 oxidizing agent is the first bacterial CYP450 catalyzing CC bond cleavage. It was found to be a biotransformation method using enzymes. In addition, in the system using an oxidizing agent of NADPH or diacetoxyiodobenzene or H 2 O 2 in addition to the mono-hydroxylated product identified in the conventional NADH-dependent system using CYP154C8, the di-hydroxylated product, di- Various distributions of oxidation products, CC bond cleavage products, and hydroxylation products of CC bond cleavage products for the hydroxylated product were shown.

따라서, 본 발명의 CYP154C8 효소를 이용한 스테로이드의 C-C 결합 절단을 위한 생물전환 방법은 스테로이드를 생물전환시킴으로써, 유기 합성과 관련된 약학 분야에서 방부제, 제약화합물, 살충제, 생물 연료, 생물학적 복웜 및 생분해을 포함하는 광범위한 분야에 응용할 수 있는 약물 개발 방법으로 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the bioconversion method for the CC bond cleavage of steroids using the CYP154C8 enzyme of the present invention bioconverts the steroids, and includes a wide range of preservatives, pharmaceutical compounds, pesticides, biofuels, biological worms, and biodegradation in the pharmaceutical field related to organic synthesis. It can be usefully used as a drug development method that can be applied to the field.

도 1은 CYP154C8에 의해 촉매된 시험관 내 반응에 사용된 스테로이드 기질에 대한 화학구조식을 나타낸 그림이다.
도 2는 NADPH 시스템에서 CYP154C8에 의해 촉매된 히드로코르티손(a), 프레드니손(b), 코르티손(c) 및 프레드니솔론(d) 반응 혼합물에 대한 HPLC 크로마토그램이다. HC, PD, CS 및 PL은 히드로코르티손, 프레드니손, 코르티손 및 프레드니솔론의 기질 피크를 각각 나타낸다. P1 및 P3은 모노-히드록시화된 생성물 피크이고; P4는 각각의 기질의 디히드록시화된 생성물의 정확한 질량에 상응하는 것이고; 삽입도 (a)에서 P7은 가능성 있는 11,17-디히드록시-3-옥소안드로스트-4-엔-17-카르복실산([M + H]+ 349.2010)의 정확한 질량을 나타낸다; 삽입도 (a), (b) 및 (c)에서 P5는 히드록시화된 히드로코르티손(hydroxylated hydrocortisone)의 가능성 있는 산화 생성물 피크를 나타낸다. 삽입도 (d)의 P5와 삽입도 (a), (b) 및 (c)의 P6은 C-C 결합 절단 생성물물의 피크를 나타낸다.
도 3은 기질인 히드로코르티손(a), 코르티손(b), 프레드니손(c) 및 프레드니솔론(d) 반응 혼합물에 대한 LC-MS 스펙트럼과 UV-흡광도이다.
도 4는 CYP154C8의 촉매 작용에 의해 얻어진 C-C 결합 절단 생성물(1-디히드로아드레노스테론, 1-dehydroadrenosterone)에 대한 1H NMR 스펙트럼 및 원자 화학적 이동을 나타낸 것이다. 동일한 생성물에 대하여 도 4b13C NMR 스펙트럼, 도 4c는 상관분광법(correlated spectroscopy, COSY), 도 4d는 극성 이동에 의한 왜곡방지 보강된-이핵 단일 양자 상관법(heteronuclear single-quantum correlation-distortionless enhancement by polarization transfer, HSQC-DEPT) + 이핵 다중 결합 상관법(heteronuoclear multiple-bond correlation, HMBC), 도 4e는 회전 프레임 오버하우저 효과 분광분석법(rotating-frame overhauser effect spectroscopy, ROESY), 도 4f는 극성 이동에 의한 왜곡방지 보강된-이핵 단일 양자 상관법(heteronuclear single-quantum correlation-distortionless enhancement by polarization transfer, HSQC-DEPT) 및 도 4g는 이핵 다중 결합 상관법(heteronuoclear multiple-bond correlation, HMBC)를 나타낸다.
도 5는 CYP154C8의 촉매 작용에 의해 얻어진 주요 프레드니손 히드록시화된 생성물(21-히드록시프로게스테론, 21-hydroxyprogesterone) 및 유리 알데히드 형태의 생성물에 대한 1H NMR 스펙트럼 및 원자 화학적 이동을 나타낸 것이다. 동일한 생성물에 대하여 도 5b13C NMR 스펙트럼, 도 5c는 COSY, 도 5d는 HSQC-DEPT+HMBC, 도 5e는 ROESY, 도 5f는 HSQC-DEPT 및 도 5g는 HMBC를 나타낸다.
도 6은 표준물질인 21-히드록시프레드니손(삽입도 Ⅰ) 및 21-히드록시프레드니손(삽입도 Ⅱ)의 반응 혼합물을 HPLC로 측정한 크로마토그램이다. P1은 21-히드록시프레드니손의 히드록시화에 의해 얻어진 디-히드록시프레드니손이다. P3은 [M + H]+ 389.1958의 정확한 질량을 갖는 디-히드록시프레드니손의 가능성 있는 산화 생성물이다. P4는 1-디히드로아드레노스테론(C-C 결합 절단 산물)의 피크를 나타내고, P2는 히드록시,1-디히드로아드레노스테론의 정확한 질량([M + H]+ 315.1591)을 나타낸다.
도 7은 NADPH 시스템에서 CYP154C8에 의해 촉매된 상이한 시간 간격(15-240 분)에서의 코르티손 반응 혼합물의 HPLC 용리 프로파일이다. 블랙 박스의 피크는 히드록시화된 생성물에 대한 가능성 있는 산화 유사 생성물을 나타낸다. 또한, 화살표로 나타낸 피크는 C-C 결합 절단 반응에 의해 얻어지는 아드레노스테론(adrenosterone) 생성을 나타낸다. P3는 가능한 21-히드록시코르티손(P1)의 순차적 히드록시화에 의해 수득 된 코르티손의 디-히드록시화 생성물로 확인되었다. P2는 모노히드록시화 생성물(가능성 있는 16-히드록시화 생성물)의 정확한 질량값을 나타낸다; P4는 아드레노스테론의 히드록시화된 생성물의 정확한 질량값을 나타낸다.
도 8은 H2O2 시스템에서 CYP154C8에 의해 촉매된 프레드니손(a), 프레드니솔론(b), 히드로코르티손(c) 및 코르티손(d) 반응 혼합물에 대한 HPLC 크로마토그램이다. 삽입도 Ⅰ 및 Ⅱ는 각각 CYP154C8의 존재 및 부재하에서 수행된 반응의 HPLC 크로마토그램을 나타낸다. P1은 각각의 기질의 모노히드록시화된 생성물의 정확한 질량값을 나타내고; P2는 각 기질의 C-C 결합 절단 산물로 확인되었다; P3은 각각의 기질의 17-카르복실산과 유사한 정확한 질량값을 나타내었다; P4 및 P5는 히드록시화된 생성물의 가능성 있는 산화 생성물에 대한 정확한 질량값을 나타내었다.
도 9는 다이아세톡시요오드벤젠(diacetoxyiodobenzne, PIDA)에 의해 뒷받침된 반응에서 CYP154C8에 의해 촉매된 프레드니손(a), 코르티손(b), 히드로코르티손(c) 및 프레드니솔론(d) 반응 혼합물에 대한 HPLC 크로마토그램이다. 삽입도 Ⅰ 및 Ⅱ는 각각 CYP154C가 존재 및 부재 하에서 수행된 반응 크로마토그램을 나타낸다. 기질 프레드니손의 경우, 피크 P1은 21-히드록시프레드니손(NMR로 확인)이며, 다른 기질의 경우 피크 P1은 피크 보유 패턴에 기초한 각각의 기질의 21-히드록시화 생성물이다. 프레드니손에 대한 또 다른 피크 P2는 1-디히드로아드레노스테론으로 확인되었다(NMR 구조 해석에 근거). 마찬가지로, 피크 P2에 대한 LC-MS 분석 및 피크 보유 패턴에 기초하여 프레드니솔론, 코르티손 및 히드로코르티손의 생성물 P2가 가능성 있는 C-C 결합 절단 생성물인 것으로 확인되었다.
도 10은 H2O2 시스템에 의해 뒷받침되는 표준물질 아드레노스테론(삽입도 Ⅰ) 및 코르티손 반응 혼합물(삽입도 Ⅱ)에 대한 HPLC 크로마토그램이다. 화살표로 표시된 피크는 코르티손 반응 혼합물에서 아드레노스테론의 형성을 나타내는 크로마토그램에서 아드레노스테론 피크의 정확한 보유시간(retention time)을 나타낸다. 이는 LC-MS 분석의 비교를 통하여 추가로 확인되었다.
도 11은 기질 프레드니손으로부터 1-디히드로아드레노스테론(17-케토스테로이드)의 형성에 관여할 수 있는 가능성 있는 반응 순서를 나타낸 그림이다. (a) 반응 순서는 C21 위치(Ⅰ, prednisone 21-geminal-diol)에서의 초기 히드록시기와 C21 위치에서의 카르복실 산(Ⅱ, prednisone 21-oic acid)의 형성, 마지막으로 1-디히드로아드레노스테론(Ⅲ)을 형성하기 위한 측쇄를 제거하는 순으로 진행된다. (b) 1-디히드로아드레노스테론(17-케토스테로이드) 생성물의 또 다른 가능성 있는 반응 순서는 C21 위치 (Ⅰ)에서 초기 히드록시화에 관여하고 최종적으로 1-디히드로아드레노스테론을 형성하기 위해 C-C 결합 절단 반응을 거치거나, 프레드니손이 C-C 결합 절단을 직접 거쳐 1-디히드로아드레노스테론(17-케토스테로이드)을 형성할 수 있다.
도 12는 모노- 및 디-히드록시화된 프레드니손의 [M + H]+ 373.1644(P Ⅰb) 및 [M + H]+ 389.1958(P Ⅱb)의 질량을 갖는 산화 유사 생성물의 형성에 관련된 가능성 있는 반응 순서를 나타낸 그림이다. 프레드니손의 히드록시화에 의해 얻어진 21-히드록시프레드니손(P Ⅰ)은 C21(P Ⅰa)에서 상응하는 유리 알데하이드와 평형을 이룬다. 유사하게, 21-히드록시프레드니손의 히드록시화에 의해 얻어진 디-히드록시프레드니손(PⅡ)은 21-히드록시프레드니손에서 발견되는 대응하는 알데히드 (PⅡa)와 평형을 이룰 수 있다. 반응에서 알데히드 형태는 아마도 모노- 및 디-히드록시화된 프레드니손의 생성물과 같이 산화를 형성하도록 연속적으로 히드록시화될 수 있다.
도 13은 CYP154C8에 의해 촉매된 프레드니손 반응에 대한 개요를 나타낸 그림이다. 초기에, 프레드니손(A)은 2개의 상이한 위치에서 히드록시화되는 것으로 확인되었다. 21-히드록시프레드니손(B)은 상응하는 유리 알데히드(NMR로 확인)와 평형을 이룬 주요 생성물로 확인되었다. 21-히드록시프레드니손을 순차적으로 히드록시화시켜 디히드록시프레드니손(F)을 수득하였다. 모노- 및 디-히드록시프레드니손의 생성물과 같은 산화-유사 생성물에 대한 정확한 질량값이 미량(trace)에서 검출되었다. 동일한 반응 혼합물은 NMR에 의해 확인된 C-C 결합 절단에 의한 1-디히드로아드레노스테론(C)의 형성을 나타내었는데, 이는 아마도 C16α-위치(D)에서 히드록시화될 수 있다. 모노- 및 디-히드록시프레드니손의 산화-유사 생성물은 C-21에서 산화시켜 프레드니손-21-카르복실산(J, [M + H]+ 373.1644) 및 히드록시프레드니손-21-카르복실산(I, [M + H]+ 389.1958)을 각각 나타내거나, 21-히드록시프레드니손(B)과 21-같은 자리(geminal)-디올(diol) 형태의 디히드록시프레드니손(F)이 순차적으로 히드록 실화되어 반응 혼합물 중의 각각의 알데히드 형태의 생성물의 산화-유사 생성물(L) 및 (H)를 형성할 수 있는 H2O 부재 하에서 수행되어 C21(각각 21-geminal-diol 형태의 K 및 G)에서 알데히드 형태와 평형을 이룬다.
1 is a diagram showing the chemical structure of a steroid substrate used in an in vitro reaction catalyzed by CYP154C8.
Figure 2 is an HPLC chromatogram for a reaction mixture of hydrocortisone (a), prednisone (b), cortisone (c) and prednisolone (d) catalyzed by CYP154C8 in a NADPH system. HC, PD, CS and PL represent the substrate peaks of hydrocortisone, prednisone, cortisone and prednisolone, respectively. P1 and P3 are mono-hydroxylated product peaks; P4 corresponds to the exact mass of the dihydroxylated product of each substrate; In inset (a) P7 represents the exact mass of the likely 11,17-dihydroxy-3-oxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid ([M + H] + 349.2010); In insets (a), (b) and (c), P5 represents the peak of the likely oxidation product of hydroxylated hydrocortisone. P5 in the inset (d) and P6 in the insets (a), (b) and (c) represent the peaks of the CC bond cleavage product.
3 is an LC-MS spectrum and UV-absorbance of a reaction mixture of the substrates hydrocortisone (a), cortisone (b), prednisone (c) and prednisolone (d).
Figure 4 shows the 1 H NMR spectrum and atomic chemical shift of the CC bond cleavage product (1-dehydroadrenosterone, 1-dehydroadrenosterone) obtained by the catalytic action of CYP154C8. For the same product, FIG. 4b is a 13 C NMR spectrum, FIG. 4c is a correlated spectroscopy (COSY), and FIG. 4d is a heteronuclear single-quantum correlation-distortionless enhancement. by polarization transfer, HSQC-DEPT) + heteronuclear multiple-bond correlation (HMBC), Figure 4e is a rotating-frame overhauser effect spectroscopy (ROESY), Figure 4f is a polarity shift Anti-distortion enhanced by -heteronuclear single-quantum correlation-distortionless enhancement by polarization transfer (HSQC-DEPT) and Figure 4g shows a heteronuclear multiple-bond correlation (HMBC).
Figure 5 shows the 1 H NMR spectrum and atomic chemical shift of the major prednisone hydroxylated products (21-hydroxyprogesterone, 21-hydroxyprogesterone) and free aldehyde form products obtained by the catalysis of CYP154C8. For the same product, FIG. 5B shows a 13 C NMR spectrum, FIG. 5C shows COSY, FIG. 5D shows HSQC-DEPT+HMBC, FIG. 5E shows ROESY, FIG. 5F shows HSQC-DEPT, and FIG. 5G shows HMBC.
Fig. 6 is a chromatogram of a reaction mixture of 21-hydroxyprednisone (insertion figure I) and 21-hydroxyprednisone (insertion figure II) as standard substances measured by HPLC. P1 is di-hydroxyprednisone obtained by hydroxylation of 21-hydroxyprednisone. P3 is a possible oxidation product of di-hydroxyprednisone with an exact mass of [M + H] + 389.1958. P4 represents the peak of 1-dihydroadrenosterone (CC bond cleavage product), and P2 represents the exact mass of hydroxy,1-dihydroadrenosterone ([M + H] + 315.1591).
7 is an HPLC elution profile of a Cortisone reaction mixture at different time intervals (15-240 minutes) catalyzed by CYP154C8 in a NADPH system. The peaks in the black box indicate possible oxidation-like products for the hydroxylated product. In addition, the peak indicated by the arrow indicates the production of adrenosterone obtained by the CC bond cleavage reaction. P3 was identified as the di-hydroxylated product of cortisone obtained by sequential hydroxylation of possible 21-hydroxycortisone (P1). P2 represents the exact mass value of the monohydroxylated product (possibly 16-hydroxylated product); P4 represents the exact mass value of the hydroxylated product of adrenosterone.
8 is an HPLC chromatogram for the reaction mixture of prednisone (a), prednisolone (b), hydrocortisone (c) and cortisone (d) catalyzed by CYP154C8 in a H 2 O 2 system. Insets I and II show HPLC chromatograms of reactions performed in the presence and absence of CYP154C8, respectively. P1 represents the exact mass value of the monohydroxylated product of each substrate; P2 was identified as the CC bond cleavage product of each substrate; P3 exhibited an exact mass value similar to the 17-carboxylic acid of each substrate; P4 and P5 represent the exact mass values for the possible oxidation products of the hydroxylated product.
FIG. 9 is an HPLC chromatography of prednisone (a), cortisone (b), hydrocortisone (c) and prednisolone (d) reaction mixture catalyzed by CYP154C8 in a reaction supported by diacetoxyiodobenzne (PIDA). It's grams. Insets I and II show reaction chromatograms performed in the presence and absence of CYP154C, respectively. For the substrate prednisone, peak P1 is 21-hydroxyprednisone (identified by NMR), and for other substrates, peak P1 is the 21-hydroxylation product of each substrate based on the peak retention pattern. Another peak P2 for prednisone was identified as 1-dihydroadrenosterone (based on NMR structural analysis). Likewise, the product P2 of prednisolone, cortisone and hydrocortisone was identified as a possible CC bond cleavage product based on LC-MS analysis and peak retention pattern for peak P2.
FIG. 10 is an HPLC chromatogram for the standard adrenosterone (Inset I) and Cortisone reaction mixture (Inset II) supported by the H 2 O 2 system. The peaks indicated by arrows indicate the exact retention time of the adrenosterone peak in the chromatogram indicating the formation of adrenosterone in the cortisone reaction mixture. This was further confirmed through comparison of LC-MS analysis.
11 is a diagram showing a possible sequence of reactions that may be involved in the formation of 1-dihydroadrenosterone (17-ketosteroid) from the substrate prednisone. (a) The reaction sequence is the formation of the initial hydroxyl group at the C21 position (I, prednisone 21-geminal-diol) and the carboxylic acid (II, prednisone 21-oic acid) at the C21 position, and finally 1-dihydroadrenose. It proceeds in the order of removing the side chain to form theron (III). (b) Another possible sequence of reactions of the product of 1-dihydroadrenosterone (17-ketosteroid) is involved in the initial hydroxylation at position C21 (I) and finally forming 1-dihydroadrenosterone. Hazardous CC bond cleavage reaction, or prednisone directly through CC bond cleavage, 1-dihydroadrenosterone (17-ketosteroid) can be formed.
Figure 12 is a possible related to the formation of oxidation-like products with masses of [M + H] + 373.1644 (P Ib) and [M + H] + 389.1958 (P IIb) of mono- and di-hydroxylated prednisone This is a picture showing the reaction sequence. The 21-hydroxyprednisone (P I) obtained by the hydroxylation of prednisone is equilibrated with the corresponding free aldehyde at C21 (P Ia). Similarly, di-hydroxyprednisone (PII) obtained by hydroxylation of 21-hydroxyprednisone can equilibrate with the corresponding aldehyde (PIIa) found in 21-hydroxyprednisone. The aldehyde form in the reaction can be subsequently hydroxylated to form oxidation, perhaps as the product of mono- and di-hydroxylated prednisone.
13 is a diagram showing an overview of the prednisone reaction catalyzed by CYP154C8. Initially, prednisone (A) was found to be hydroxylated at two different positions. 21-hydroxyprednisone (B) was identified as the main product in equilibrium with the corresponding free aldehyde (confirmed by NMR). 21-hydroxyprednisone was sequentially hydroxylated to give dihydroxyprednisone (F). Accurate mass values for oxidation-like products, such as the product of mono- and di-hydroxyprednisone, were detected in the trace. The same reaction mixture showed the formation of 1-dihydroadrenosterone (C) by CC bond cleavage confirmed by NMR, which could possibly be hydroxylated at the C16α-position (D). Oxidation-like products of mono- and di-hydroxyprednisone are oxidized at C-21 to produce prednisone-21-carboxylic acid (J, [M + H] + 373.1644) and hydroxyprednisone-21-carboxylic acid (I , [M + H] + 389.1958), or 21-hydroxyprednisone (B) and 21-geminal-diol in the form of dihydroxyprednisone (F) are sequentially hydroxylated In the absence of H 2 O, which can form oxidation-like products (L) and (H) of each of the products in the form of aldehydes in the reaction mixture to form aldehydes at C21 (K and G in the form of 21-geminal-diol, respectively). It is in equilibrium with form.

본 명세서에서, "생물전환 방법"이라 함은 미생물 발효 및 효소 처리 등의 생명공학 기술을 통해 새로운 생성물을 생성하거나 기존의 화학 합성공정에 의해 합성 및 생산되고 있는 기존 화학물질을 대체하여 생산할 수 있는 기술을 의미하며, 생물전환(bioconversion, biotransformation), 생합성(biosynthesis), 생촉매(bio-catalysis) 등으로 불리기도 한다.In the present specification, the term "bioconversion method" refers to the production of new products through biotechnology such as microbial fermentation and enzyme treatment, or by replacing existing chemicals synthesized and produced by existing chemical synthesis processes. It means technology, and is also called bioconversion, biotransformation, biosynthesis, and bio-catalysis.

본 발명은 CYP154C8을 이용하여 스테로이드의 17번 탄소 및 20번 탄소 위치에서 탄소(C)-탄소(C) 결합을 절단시키는 단계를 포함하는 스테로이드의 생물전환 방법을 제공한다. CYP154C8은 다단계의 히드록시화를 거쳐 C17 및 C21 위치에서 히드록시기를 갖는 기질의 C-C 결합을 절단하고, 이로부터 얻어진 생성물을 추가로 히드록시화시키는 효소이다. 상기 반응에 사용할 수 있는 기질을 하기의 화학식 1 및 2로 나타내었다(여기서 탄소11 위치에서 X는 -OH로 표시되는 히드록시기 또는 =O로 표시되는 케토기이다.).The present invention provides a method for bioconversion of a steroid comprising the step of cleaving a carbon (C)-carbon (C) bond at positions 17 and 20 of the steroid using CYP154C8. CYP154C8 is an enzyme that cleaves the C-C bond of a substrate having a hydroxyl group at the C17 and C21 positions through multi-step hydroxylation, and further hydroxylates the product obtained therefrom. Substrates that can be used in the reaction are represented by the following Chemical Formulas 1 and 2 (wherein X is a hydroxy group represented by -OH or a keto group represented by =O at the carbon 11 position).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 스테로이드는 C17 및 C21 위치에서 히드록시기를 갖는 기질인 프레드니손(prednisone), 프레드니솔론(prednisolone), 코르티손(cortisone), 히드로코르티손(hydrocortisone)으로 이루어지는 군에서 1종 이상을 기질로 선택할 수 있으며(도 1 참조), 예를 들어 프레드니손의 C-C 결합 절단 반응 과정을 다음과 같이 나타낼 수 있다.The steroid may be selected from the group consisting of prednisone, prednisolone, cortisone, and hydrocortisone, which are substrates having hydroxy groups at C17 and C21 positions, as a substrate (see Fig. 1). ), for example, the CC bond cleavage reaction process of prednisone can be represented as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

반응 과정은 프레드니손의 C21 위치에 히드록시기가 추가된 프레드니손 21-같은 자리-디올(prednisone 21-geminal-diol, Ⅰ)을 형성한 후 C21 위치에서 카르복실화된 프레드니손 21-오익 산(prednisone 21-oic acid, Ⅱ)을 형성한 다음, 최종적으로 C17 위치 및 C20 위치에서 탄소-탄소로 결합된 측쇄를 절단하여 1-디히드로아드레노스테론(17-케토스테로이드, Ⅲ)을 형성하는 순으로 진행될 수 있다.The reaction process is the formation of prednisone 21-geminal-diol (I) in which a hydroxy group is added to the C21 position of prednisone, and then prednisone 21-oic acid carboxylated at the C21 position. After the formation of acid, Ⅱ), the side chain bonded to carbon-carbon at the C17 and C20 positions is finally cleaved to form 1-dihydroadrenosterone (17-ketosteroid, Ⅲ). .

또 다른 반응 과정은 C21 위치에 히드록시기가 추가된 프레드니손 21-같은 자리-디올(prednisone 21-geminal-diol, Ⅰ)을 형성한 후 최종적으로 1-디히드로아드레노스테론을 형성하기 위해 C-C 결합 절단 반응을 거치거나, 프레드니손이 C-C 결합 절단을 직접 거쳐 1-디히드로아드레노스테론(17-케토스테로이드)을 형성할 수 있다.Another reaction process is the formation of prednisone 21-geminal-diol (I) with a hydroxyl group added at the C21 position, followed by a CC bond cleavage reaction to finally form 1-dihydroadrenosterone. Or, prednisone can form 1-dihydroadrenosterone (17-ketosteroid) through CC bond cleavage.

상기의 반응 과정으로부터 화학식 3 및 화학식 4의 구조를 갖는 생성물(17-케토스테로이드)을 얻을 수 있다(여기서 탄소11 위치에서 X는 -OH로 표시되는 히드록시기 또는 =O로 표시되는 케토기이다.). 기질이 화학식 1인 화합물은 화학식 3의 생성물을, 기질이 화학식 2인 화합물은 화학식 4의 생성물을 생성할 수 있으며, 기질인 프레드니솔론(prednisolone)의 경우에 11-히드록시볼디온(11-hydroxyboldione)을, 코르티손(cortisone)의 경우에는 아드레노스테론(adrenosterone)을, 히드로코르티손(hydrocortisone)의 경우에는 11-히드록시안드로스텐디온(11-hydroxyandrostenedione)을 생성할 수 있다.From the above reaction process, a product (17-ketosteroid) having the structures of Chemical Formulas 3 and 4 can be obtained (where X at the carbon 11 position is a hydroxy group represented by -OH or a keto group represented by =O). . A compound with a substrate of Formula 1 can produce a product of Formula 3, and a compound with a substrate of Formula 2 may produce a product of Formula 4, and in the case of prednisolone, a substrate, 11-hydroxyboldione In the case of cortisone, adrenosterone may be produced, and in the case of hydrocortisone, 11-hydroxyandrostenedione may be produced.

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

일 구현예에서 상기 절단은 산화·환원 단백질 페레독신(ferredoxin, Fdx) 및 페레독신 환원 효소(ferredoxin reductase, Fdr)를 이용한 NADPH 의존성 시스템 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 Fdx는 0.1 ~ 100 μM, 바람직하게는 1 ~ 20 μM, 가장 바람직하게는 4 ~ 8 μM이고, Fdr이 0.01 ~ 10 U, 바람직하게는 0.03 ~ 5 U, 가장 바람직하게는 0.05 ~ 3 U로 사용될 수 있다. 상기 NADPH는 10 ~ 1000 μM, 바람직하게는 50 ~ 700 μM, 가장 바람직하게는 100 ~ 500 μM로 사용될 수 있다. 또한, 상기 시스템은 글루코스 6-포스페이트, 글루코스 6-포스페이트 디히드로게나제 및 카탈라제를 포함할 수 있다.In one embodiment, the cleavage may be performed in the presence of a NADPH-dependent system using redox proteins ferredoxin (Fdx) and ferredoxin reductase (Fdr). The Fdx is 0.1 to 100 μM, preferably 1 to 20 μM, most preferably 4 to 8 μM, and Fdr is 0.01 to 10 U, preferably 0.03 to 5 U, most preferably 0.05 to 3 U. Can be used. The NADPH may be used in 10 to 1000 μM, preferably 50 to 700 μM, and most preferably 100 to 500 μM. In addition, the system may include glucose 6-phosphate, glucose 6-phosphate dehydrogenase and catalase.

일 구현예에서 상기 절단은 다이아세톡시요오드벤젠 또는 H2O2의 산화제 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 다이아세톡시요오드벤젠은 0.1 ~ 50 mM, 바람직하게는 0.3 ~ 20 mM, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 5 mM로 사용될 수 있고, 상기 H2O2는 1 ~ 100 mM, 바람직하게는 10 ~ 100 mM, 가장 바람직하게는 60 ~ 100 mM로 사용될 수 있다.In one embodiment, the cleavage may be performed in the presence of an oxidizing agent of diacetoxyiodobenzene or H 2 O 2 . The diacetoxyiodobenzene may be used in an amount of 0.1 to 50 mM, preferably 0.3 to 20 mM, most preferably 0.5 to 5 mM, and the H 2 O 2 is 1 to 100 mM, preferably 10 to 100 mM, most preferably 60 to 100 mM may be used.

상기 CYP154C8는 0.1 ~ 100 μM, 바람직하게는 0.5 ~ 20 μM, 가장 바람직하게는 1 ~ 6 μM로 사용할 수 있다.The CYP154C8 may be used in an amount of 0.1 to 100 μM, preferably 0.5 to 20 μM, and most preferably 1 to 6 μM.

또한, 상기 생물전환 방법은 pH 4 ~ 10, 바람직하게는 pH 6 ~ 8.5, 가장 바람직하게는 pH 7 ~ 8에서 수행할 수 있고, 20 ~ 40 ℃, 바람직하게는 25 ~ 35 ℃, 가장 바람직하게는 28 ~ 32 ℃의 반응 온도에서 수행할 수 있다.In addition, the bioconversion method can be carried out at pH 4 to 10, preferably at pH 6 to 8.5, most preferably at pH 7 to 8, and at 20 to 40°C, preferably at 25 to 35°C, most preferably Can be carried out at a reaction temperature of 28 ~ 32 ℃.

본 발명의 CYP154C8 효소를 이용한 스테로이드의 탄소-탄소 결합 절단을 위한 생물전환 방법은 종래의 CYP154C8 효소를 이용한 생물전환 방법에 비해 C-C 결합을 절단시킬 수 있어 생성물의 분포를 증가시키므로, 약학 분야에서 기존 스테로이드를 대체할 수 있는 약물 개발 방법으로서 유용하게 사용될 수 있다.The bioconversion method for carbon-to-carbon bond cleavage of steroids using the CYP154C8 enzyme of the present invention can cleave the CC bond compared to the conventional bioconversion method using the CYP154C8 enzyme, thereby increasing the distribution of the product. It can be usefully used as a drug development method that can replace.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example >>

1. 재료 및 방법1. Materials and methods

(1) 화학 물질 및 시약(1) Chemical substances and reagents

프레드니손(prednisone), 코르티손(cortisone) 및 히드로코르티손(hydrocortisone) 스테로이드 기질은 Sigma Aldrich사(Yonjin, Korea)에서 구입하였다. 프레드니솔론(prednisolone) 및 17α-히드록시프로게스테론(17α-hydroxyprogesterone)은 TCI사(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd, Tokyo, Japan)로부터 구입하였다. Duchefa Biochemie사(Netherlands)로부터 이소프로필1-티오-β-D-갈락토피라노시드(Isopropyl 1-thio-β-D-galactopyranoside, IPTG) 및 1,4-디티오트레이톨(1,4-dithiothreitol, DTT)을 입수하였다. 암피실린(Ampicillin, Amp), α-아미노레불린산(α-aminolevulinic acid, ALA), NADPH, H2O2, 다이아세톡시요오드벤젠(Diacetoxyiodobenzene, PIDA), 카탈라제(catalase), 포르메이트 디히드로게나제(formate dehydrogenase), 글루코스-6-포스페이트(glucose 6-phosphate), 시금치 페레독신(Fdx) 및 시금치 페레독신 환원효소(Fdr)는 Sigma-Aldrich사에서 구입하였다. 제한 효소는 Takara Clontech사(Japan)로부터 입수하였고, T4 DNA 리가제(ligase), DNA 중합 효소 및 dNTP는 Takara Bio사(Shiga, Japan)에서 입수하였다. 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 등급의 아세토니트릴 및 물은 Fisher Scientific사(MA, USA)에서 구입하였다.Prednisone, cortisone, and hydrocortisone steroid substrates were purchased from Sigma Aldrich (Yonjin, Korea). Prednisolone and 17α-hydroxyprogesterone were purchased from TCI (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd, Tokyo, Japan). Isopropyl from Duchefa Biochemie Co. (Netherlands) 1- thio -β- D - galacto-pyrano seed (Isopropyl 1-thio-β- D -galactopyranoside, IPTG) and 1,4-dithiothreitol (1,4- dithiothreitol, DTT) was obtained. Ampicillin (Amp), α-aminolevulinic acid (ALA), NADPH, H 2 O 2 , Diacetoxyiodobenzene (PIDA), catalase, formate dehydrogena (Formate dehydrogenase), glucose-6-phosphate (glucose 6-phosphate), spinach ferredoxin (Fdx) and spinach ferredoxin reductase (Fdr) were purchased from Sigma-Aldrich. Restriction enzymes were obtained from Takara Clontech (Japan), T4 DNA ligase (ligase), DNA polymerase and dNTP were obtained from Takara Bio (Shiga, Japan). High performance liquid chromatography (HPLC) grade acetonitrile and water were purchased from Fisher Scientific (MA, USA).

(2) CYP154C8의 발현 및 정제(2) Expression and purification of CYP154C8

CYP154C8의 이종 발현 및 정제는 선행문헌[B. Dangi,et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077]에 기술된 바와 같이 수행되었다. Streptomyces sp. W2233-SM의 게놈 DNA로부터 CYP154C8 인코딩 서열(1,266 bp, 421 amino acids, GenBank accession number MF398962, 표 1 참조)을 증폭시켰다. 유전자증폭에 사용된 PCR 프라이머는 5'-GAATTC ATG AAC GGT CAG TCA GCG A - 3'(EcoRⅠ)인 순방향 및 5'-AAGCTT TCA GCT GCC GTG GAG CA-3'(HindⅢ)인 역방향 프라이머로 설계되었다. 상기 밑줄 문자는 각각 엔도뉴클레아제(endonuclease) 제한효소 부위를 나타낸다.The heterologous expression and purification of CYP154C8 was previously described [B. Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077. Streptomyces sp. CYP154C8 encoding sequence (1,266 bp, 421 amino acids, GenBank accession number MF398962, see Table 1) was amplified from the genomic DNA of W2233-SM. PCR primers used for gene amplification were designed as 5'- GAATTC ATG AAC GGT CAG TCA GCG A-3'(EcoRI) forward and 5'- AAGCTT TCA GCT GCC GTG GAG CA-3' (HindIII) reverse primers. . Each of the underscore characters represents an endonuclease restriction enzyme site.

Figure pat00006
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수득된 PCR 산물을 E. coli XL1-Blue를 사용하여 pMD20-T 벡터에 클로닝하고 뉴클레오티드 서열을 자동염기서열분석(automated sequencing, Macrogen, Korea)으로 확인하였다. 또한, 유전자 생성물을 pET32a(+) 벡터에 연결하여 pET32aCYP154C8 컨스트럭트를 제조하였다. T7 프로모터(T7 promoter)의 제어하에 N-terminal His6-tag 단백질을 코딩하여 생성된 컨스트럭트를 E.coli Bl21(DE3)에 형질전환시키고, 100 ㎍/㎖ 암피실린을 함유하는 LB 아가에서 배양하였다. 배양한 LB 아가 플레이트에서 단일 콜로니를 선택하고, 37 ℃에서 밤새 배양하였다. 밤새 배양된 배양액 1 ㎖를 100 ㎍/㎖ 암피실린이 첨가된 LB 배지 100 ㎖에 첨가하고, OD600에서 세포밀도가 약 0.6 ~ 0.8이 될 때까지 37 ℃, 오비탈 쉐이커(orbital shaker)에서 180 rpm으로 교반하여 배양하였다. 배양은 0.5 mM IPTG로 유도되었고, 1 mM의 5-아미노레불린산 하이드로클로라이드(5-aminolevulinic acid hydrochloride, 5-ALA)와 0.5 mM FeCl3를 첨가하여 헴(heme) 합성을 촉진하였다. 세포를 20 ℃에서 48시간 동안 배양하여, 펠렛을 4 ℃에서 20분 동안 3,500 rpm 조건으로 원심분리하여 수득하고, 10 % 글리세롤, 100 mM NaCl 및 1 mM DTT를 함유하는 50 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.4)으로 2회 세척하였다.The obtained PCR product was cloned into a pMD20-T vector using E. coli XL1-Blue, and the nucleotide sequence was confirmed by automated sequencing (Macrogen, Korea). In addition, a pET32aCYP154C8 construct was prepared by linking the gene product to the pET32a(+) vector. The construct generated by encoding the N-terminal His 6- tag protein under the control of the T7 promoter was transformed into Ec o li Bl21 (DE3) and cultured in LB agar containing 100 μg/ml ampicillin. I did. A single colony was selected from the cultured LB agar plate and incubated overnight at 37°C. 1 ml of the overnight culture medium was added to 100 ml of the LB medium to which 100 μg/ml ampicillin was added, and at 37°C until the cell density reached about 0.6 ~ 0.8 at OD 600 , at 180 rpm in an orbital shaker. Incubated by stirring. The culture was induced with 0.5 mM IPTG, and 1 mM 5-aminolevulinic acid hydrochloride (5-ALA) and 0.5 mM FeCl 3 were added to promote heme synthesis. Cells were incubated at 20° C. for 48 hours, the pellet was obtained by centrifugation at 3,500 rpm for 20 minutes at 4° C., and 50 mM Tris-HCl buffer containing 10% glycerol, 100 mM NaCl, and 1 mM DTT ( pH 7.4) twice.

세척이 완료된 펠렛을 수확하여 초음파처리 후 4 ℃에서 24650 g로 40분 동안 원심분리하여 용해시켰다. 용해성 단백질 추출물을 ice에서 TALON His-tag 수지(resin)로 60분 동안 혼합하여 교반하고, 단백질의 가용성 분획을 Ni2+ 친화성 크로마토그래피로 정제하였다. 단백질 결합 수지를 2배의 평형 완충액(potassium phosphate, pH 7.4)으로 선-평형화를 시켰다. 결합된 단백질을 20, 100, 및 250 mM 이미다졸을 포함하는 용리완충액[elution buffer, potassium phosphate (pH 7.4), 10 % glycerol, 100 mM NaCl]으로 용리시켰다. 용리된 단백질이 포함된 분획은 30 kDa의 분자량 차단[molecular weight cut-off(MWCO)]을 갖는 Amicon centrifugal filters(Millipore)를 사용하여 농축시켰다.The washed pellet was harvested, sonicated, and dissolved by centrifugation at 4° C. at 24650 g for 40 minutes. The soluble protein extract was mixed on ice with TALON His-tag resin (resin) for 60 minutes and stirred, and the soluble fraction of the protein was purified by Ni 2+ affinity chromatography. The protein-binding resin was pre-equilibrated with 2 times the equilibration buffer (potassium phosphate, pH 7.4). The bound proteins were eluted with an elution buffer (elution buffer, potassium phosphate (pH 7.4), 10% glycerol, 100 mM NaCl) containing 20, 100, and 250 mM imidazole. Fractions containing the eluted protein were concentrated using Amicon centrifugal filters (Millipore) having a molecular weight cut-off (MWCO) of 30 kDa.

(3) CYP154C8를 이용한 효소 반응 시험(3) Enzyme reaction test using CYP154C8

효소 농도는 CYP의 농도를 결정하는데 널리 사용되는 방법인 CO-환원 흡광도 스펙트럼의 차이에 기초하여 결정하였다[Omura T et al., J Biol Chem 1962, 239, 2370-2378].The enzyme concentration was determined based on the difference in the CO-reduction absorbance spectra, a method widely used to determine the concentration of CYP [Omura T et al., J Biol Chem 1962, 239, 2370-2378].

CYP154C8의 시험관 내 효소 활성은 NADPH, PIDA(diacetoxyiodobenzne) 및 H2O2의 존재 하에서 개별적으로 평가하였다. NADPH에 의해 뒷받침된 반응은 시금치 유래의 산화·환원 파트너로서 6 μM Fdx 및 0.1 U Fdr, NADPH 재생을 위한 10 mM 글루코스-6-포스페이트 및 1 U 글루코스-6-포스페이트 디히드로게나제, 100 ㎍·㎖-1 카탈라제, 1 mM MgCl2 및 250 μM NADPH를 포함하였다. 다른 반응은 별도의 반응으로서 2 mM PIDA 및 40 mM H2O2에 의해 뒷받침되었다.The in vitro enzymatic activity of CYP154C8 was individually evaluated in the presence of NADPH, diacetoxyiodobenzne (PIDA) and H 2 O 2 . The reaction supported by NADPH was 6 μM Fdx and 0.1 U Fdr as an oxidation-reduction partner derived from spinach, 10 mM glucose-6-phosphate and 1 U glucose-6-phosphate dehydrogenase for NADPH regeneration, 100 μg· Ml -1 catalase, 1 mM MgCl 2 and 250 μM NADPH. Other reactions were supported by 2 mM PIDA and 40 mM H 2 O 2 as separate reactions.

모든 시험관 내 전환 반응 시험은 3 μM CYP154C8 및 0.5 mM 기질(스테로이드)을 포함하는 포타슘 포스페이트 완충액(potassium phosphate buffer, pH 7.4)에서 최종 부피 0.5 ㎖로 수행하였다. 반응은 진탕(500 rpm)하는 반응 챔버를 이용하여 30 ℃에서 2시간 동안 수행하였다. 반응 혼합물을 0.5 ㎖ 에틸 아세테이트(ethyl acetate)로 2회 추출하고 분석 목적으로 건조시켰다.All in vitro conversion reaction tests were performed in a final volume of 0.5 ml in a potassium phosphate buffer (pH 7.4) containing 3 μM CYP154C8 and 0.5 mM substrate (steroid). The reaction was carried out at 30° C. for 2 hours using a shaking reaction chamber (500 rpm). The reaction mixture was extracted twice with 0.5 ml ethyl acetate and dried for analysis purposes.

(4) 생성물의 정제 및 분석 방법(4) Product purification and analysis method

생성물인 21-히드록시프레드니손(21-hydroxyprednisone) 및 1-디히드로안드로스테론(1-dehydroandrosterone)은 기질인 프레드니손(prednisone)과 PIDA 및 H2O2의 시험관 내 반응에 의해 각각 얻어졌다. 상기 반응은 10 ㎖ 부피에서 별도로 수행하였다. 두 생성물 모두 200 ㎖의 총 반응 부피로부터 정제하였다.The products 21-hydroxyprednisone and 1-dehydroandrosterone were obtained by in vitro reaction of the substrates prednisone, PIDA and H 2 O 2 , respectively. The reaction was carried out separately in a volume of 10 ml. Both products were purified from a total reaction volume of 200 ml.

반응 혼합물은 HPLC(Shimadzu사, Kyoto, Japan) 기기로 초기 분석하였다. 시료를 분리하고 Mightysil 역상 C18 GP 컬럼(4.6 × 250 ㎜, 5 μm; Kanto Chemical사, Tokyo, Japan)을 통과시켰다. 물(A) 및 아세토니트릴(B)을 분리를 위한 이동상으로 사용하였다. 반응 혼합물은 1 ㎖/min의 유속에서 0-10분 동안 15 %, 10-20분 동안 50 %, 20-25분 동안 70 %, 25-40분 동안 15 %의 아세토니트릴(B)의 농도 구배 시스템을 이용하여 분석하였다. HPLC 분석 후, 시료를 액체 크로마토그래피-질량 분광법(LC-MS)를 사용하여 분석하였다. 변형 위치를 확인하기 위한 표적 피크를 Mightysil 역상 C18 GP 컬럼(4.6 × 150 ㎜, 5 μm; Kanto Chemical사, Tokyo, Japan)을 사용한 분취용 HPLC로 정제한 다음, 정제된 생성물을 D6]DMSO에 용해시키고 900 MHz Unity INOVA 분광계(Varian)에서 NMR 분광법으로 분석하였다. 1차원 NMR 스펙트럼(1H NMR 및 13C NMR) 및 2D NMR[이핵 다중 결합 상관법(heteronuclear multiple bond correlation, 상관 분광법, ROESY 및 HSQC]을 이용하여 적절한 구조를 묘사하였다.The reaction mixture was initially analyzed by HPLC (Shimadzu, Kyoto, Japan). The sample was separated and passed through a Mightysil reverse phase C 18 GP column (4.6 × 250 mm, 5 μm; Kanto Chemical, Tokyo, Japan). Water (A) and acetonitrile (B) were used as mobile phases for separation. The reaction mixture was a gradient of acetonitrile (B) of 15% for 0-10 minutes, 50% for 10-20 minutes, 70% for 20-25 minutes, and 15% for 25-40 minutes at a flow rate of 1 ml/min. It was analyzed using the system. After HPLC analysis, the samples were analyzed using liquid chromatography-mass spectroscopy (LC-MS). The target peak for confirming the modified position was purified by preparative HPLC using a Mightysil reverse phase C 18 GP column (4.6 × 150 mm, 5 μm; Kanto Chemical, Tokyo, Japan), and then the purified product was D 6 ]DMSO And analyzed by NMR spectroscopy on a 900 MHz Unity INOVA spectrometer (Varian). One-dimensional NMR spectra ( 1 H NMR and 13 C NMR) and 2D NMR (heteronuclear multiple bond correlation, correlation spectroscopy, ROESY and HSQC) were used to describe the appropriate structure.

2. 결과2. Results

(1) 시험관 내 반응 분석(1) In vitro reaction analysis

CYP154C8에 의해 촉매화된 시험관 내 반응은 3가지 상이한 시스템에서 개별적으로 수행하였다. 대조군의 반응은 Fdx-Fdr-NADPH, H2O2 및 PIDA를 함유하는 3가지 상이한 시스템에 의해 뒷받침되는 CYP 효소없이 개별적으로 수행하였다. 어떤 시스템에서도 생성물의 형성이 관찰되지 않았다. 이전에, CYP154C8은 NADH와 산화 환원 파트너인 Pdr과 Pdx에 의해 뒷받침되는 반응에서 프레드니손(prednisone), 코르티손(cortisone), 히드로코르티손(hydrocortisone) 및 프레드니솔론(prednisolone)을 2개의 상이한 위치에서 히드록시화시키는 것으로 보고되었다(B. Dangi,et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077).The in vitro reaction catalyzed by CYP154C8 was carried out separately in three different systems. The reaction of the control was performed individually without CYP enzyme supported by three different systems containing Fdx-Fdr-NADPH, H 2 O 2 and PIDA. No product formation was observed in any system. Previously, CYP154C8 was shown to hydroxylate prednisone, cortisone, hydrocortisone and prednisolone at two different sites in a reaction supported by NADH and its redox partners Pdr and Pdx. Reported (B. Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077).

그러나, NADPH와 시금치 산화·환원 파트너인 Fdr 및 Fdx가 지원하는 또 다른 CYP154C8 반응에서 NADH에 뒷받침된 반응에서 관찰되는 2개의 모노히드록시화된 생성물 외에 추가 생성물 피크가 나타났다(도 2 참조). 4개 기질(프레드니손, 코르티손, 히드로코르티손 및 프레드니솔론)과의 모든 반응에 대한 LC-MS 분석은 NADH 시스템에서도 관찰된 2개의 모노히드록시화 생성물(P1 및 P3)을 나타내었다. 또한, 적어도 1개의 디히드록시화 생성물(P4), 있을 수 있는 C-C 결합 절단 생성물(P6, 프레드리손, 코르티손 및 히드로코르티손; 및 P5, 프레드니솔론) 및 가능성이 있는 히드록시화된 생성물(P5)의 산화 생성물이 검출되었다. 반응 혼합물에서 C-C 결합 절단 생성물[17-케토스테로이드(17-ketosteroid)]의 형성은 LC-MS 분석(도 3 참조) 및 피크 보유 패턴에 기초하여 추측하였다.However, in another CYP154C8 reaction supported by NADPH and spinach oxidation/reduction partners Fdr and Fdx, additional product peaks appeared in addition to the two monohydroxylated products observed in reactions supported by NADH (see FIG. 2). LC-MS analysis of all reactions with four substrates (prednisone, cortisone, hydrocortisone and prednisolone) revealed two monohydroxylated products (P1 and P3) that were also observed in the NADH system. In addition, at least one dehydroxylated product (P4), possibly a CC bond cleavage product (P6, predrisone, cortisone and hydrocortisone; and P5, prednisolone) and possibly a hydroxylated product (P5). The oxidation product of was detected. The formation of a C-C bond cleavage product [17-ketosteroid] in the reaction mixture was estimated based on LC-MS analysis (see Fig. 3) and peak retention patterns.

(2) 프레드니손의 반응 생성물에 대한 특성화(2) Characterization of the reaction product of prednisone

모든 4 개의 기질 반응 혼합물의 유사성에 기초하여, 기질 프레드니손의 반응 생성물을 특성화하였다. NADPH 시스템에 의해 뒷받침된 프레드니손 반응 혼합물에 대한 HPLC 크로마토그램(도 2, 삽입도 (b) 참조)은 LC-MS 및 HPLC 데이터의 비교에 의해 특성화된 2개의 통상적인 모노-히드록시화된 생성물(P1 및 P3)을 나타내었다(자료 미도시). LC-MS 분석 결과, P4는 디-히드록시화된 생성물([M + H]+ 391.1750), P6은 정확한 질량(m/z+ [M + H]+ 299.1634)을 나타내었다; 상기 질량은 프레드니손의 C17에서 C-C 결합 절단 생성물의 질량과 정확하게 유사하였다. 이러한 관찰은 NMR(1H, 13C 및 2D NMR)에 기초한 구조적 해석에 의해 더 확인되었으며, 이는 C-C 결합 절단로 인해 생성된 1-디히드로아드레노스테론(1-dehydroadrenosterone)으로 나타났다(도 4a 내지 도 4g 참조).Based on the similarity of all four substrate reaction mixtures, the reaction product of the substrate prednisone was characterized. The HPLC chromatogram for the prednisone reaction mixture (see Figure 2, inset (b)) supported by the NADPH system shows two conventional mono-hydroxylated products characterized by comparison of LC-MS and HPLC data ( P1 and P3) are shown (data not shown). LC-MS analysis showed that P4 was a di-hydroxylated product ([M + H] + 391.1750) and P6 was the correct mass (m/z + [M + H] + 299.1634); The mass was exactly similar to the mass of the CC bond cleavage product at C17 of prednisone. These observations were further confirmed by structural analysis based on NMR ( 1 H, 13 C and 2D NMR), which was found to be 1-dehydroadrenosterone generated due to CC bond cleavage (Fig. 4A to See Figure 4g).

유사하게, NMR에 의한 또 다른 주요 모노-히드록시화된 생성물 피크(P1)에 대한 구조적 해석은 프레드니손의 C21 위치에서 히드록시화의 결과로 21-히드록시프레드니손(21-hydroxyprednisone)의 형성을 나타내었다. 동일한 NMR 시료는 또한 탈수된 케토알데히드 형태로 확인된 또 다른 저농도의 생성물을 나타내었다(도 5a 내지 도 5g 참조). 이러한 알데히드 함유 생성물은 물의 부재 하에서 같은 자리(geminal)-디올 형태로 관찰되었다. P2는 [M + H]+ 315.1591의 정확한 질량을 갖는 C-C 결합 절단 생성물(P6)의 가능성 있는 히드록시화된 생성물로서 확인되었는데, 이는 정확하게 1-디히드로아드레노스테론(1-dehydroadrenosterone) ([M + H]+ 315.1591)에 대한 히드록시화된 질량과 유사하였다. 미량(trace) 확인된 다른 생성물 피크(P5)는 [M + H]+ 389.1958의 정확한 질량을 나타내었으며, 반응에서 얻어지는 가능성 있는 산화-유사 생성물인 디-히드록시화된 프레드니손(di-hydroxylated prednisone, P4)을 나타내었다. 디히드록시화된 프레드니손의 1개 이상의 가능성 있는 산화-유사 생성물이 LC-MS 분석의 미량에서 검출되었는데, 이는 HPLC 크로마토그램에서는 명확하게 관찰되지 않았다.Similarly, structural analysis of another major mono-hydroxylated product peak (P1) by NMR indicated the formation of 21-hydroxyprednisone as a result of the hydroxylation at the C21 position of prednisone. Done. The same NMR sample also showed another low concentration product identified in the form of dehydrated ketoaldehyde (see FIGS. 5A-5G). These aldehyde containing products were observed in the form of geminal-diols in the absence of water. P2 was identified as a possible hydroxylated product of the CC bond cleavage product (P6) with an exact mass of [M + H] + 315.1591, which is precisely 1-dehydroadrenosterone ([M + H] + 315.1591). Another product peak (P5) identified as a trace showed the correct mass of [M + H] + 389.1958, a possible oxidation-like product obtained from the reaction, di-hydroxylated prednisone, P4). One or more possible oxidation-like products of dihydroxylated prednisone were detected in trace amounts of LC-MS analysis, which was not clearly observed in the HPLC chromatogram.

(3) 프레드니손 이외의 기질의 반응 생성물에 대한 분석(3) Analysis of reaction products of substrates other than prednisone

다른 기질인 히드로코르티손과의 반응은 377.1968의 정확한 질량 값을 갖는 히드록시히드로코르티손에 대한 산화-유사 생성물로의 명확한 전환을 나타내었으며(도 2 참조), 계산된 질량 값은 히드록시히드로코르티손의 산화 생성물(C21H29O6 +) [M + H]+ 377.1953이었다. 히드로코르티손 반응에서 관찰된 다른 피크(P7)는 [M + H]+ 349.2009의 주요 질량을 나타내었으며, 이는 가능성 있는 11,17-디히드록시-3-옥소안드로스트-4-엔-17-카르복실산(11,17-dihydroxy-3-oxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid, [M + H]+ 349.2010)의 질량과 매우 유사한 것이었다. 이러한 생성물(각각의 기질에 대한 17-카르복실산)은 또한 프레드니손 및 코르티손에 대한 LC-MS(자료 미도시)에서 소량으로 검출되었으며, 프레드니손의 경우 345.1697의 m/z+ [M + H]+를 갖는 가능성 있는 17-히드록시-3,11-디옥소-1,4-다이엔-17-카르복실산(17-hydroxy-3,11-dioxo-1,4-diene-17-carboxylic acid) 및 코르티손의 경우 347.1847의 m/z+ [M + H]+를 갖는 가능성 있는 17-히드록시-3,11-디옥소안드로스트-4-엔-17-카르복실산(17-hydroxy-3,11-dioxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid)을 각각 나타내었다.The reaction with another substrate, hydrocortisone, showed a clear conversion to an oxidation-like product for hydroxyhydrocortisone with an exact mass value of 377.1968 (see Fig. 2), and the calculated mass value is the oxidation of hydroxyhydrocortisone. Product (C 21 H 29 O 6 + ) [M + H] + 377.1953. Another peak (P7) observed in the hydrocortisone reaction showed a major mass of [M + H] + 349.2009, which is a possible 11,17-dihydroxy-3-oxoandrost-4-ene-17-car It was very similar to the mass of the acid (11,17-dihydroxy-3-oxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid, [M + H] + 349.2010). This product (17-carboxylic acid for each substrate) was also detected in small amounts in LC-MS (data not shown) for prednisone and cortisone, m/z + [M + H] + of 345.1697 for prednisone. Possibly with 17-hydroxy-3,11-dioxo-1,4-diene-17-carboxylic acid (17-hydroxy-3,11-dioxo-1,4-diene-17-carboxylic acid) And a possible 17-hydroxy-3,11-dioxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid (17-hydroxy-3, with m/z + [M + H] + of 347.1847 for cortisone) 11-dioxoandrost-4-ene-17-carboxylic acid) respectively.

유사한 기질을 사용하는 리아제 반응을 특징으로 하는 2개의 비특이적 퍼옥시게나제에 의해 소량에서 유사한 생성물이 보고되었다[Ullrich R, et al., J Inorg Biochem 183, 84-93]. CYP154C8은 스테로이드를 순차적으로 산화시키는 것으로 알려져 있다. 이제부터 CYP154C8에 의한 21-히드록시프레드니손(21-hydroxyprednisone)의 순차적 히드록시화로 인해 프레드니손의 디-히드록시화된 생성물(P3)이 얻어짐이 확인되었다. 기질로서 프레드니손 대신에 21-히드록시프레드니손을 사용했을 때, 추가로 히드록시화된 생성물(P1, m/z+ [M + H]+ 391.1752), 프레드니손(P1)의 디-히드록시화된 생성물에 대한 가능성 있는 산화 생성물(P3, m/z+ [M + H]+ 389.1958), C-C 절단물(P4, 1-디히드로아드레노스테론) 및 1-디히드로아드레드로스테론의 가능성 있는 히드록시화 생성물(P2)의 형성이 관찰되었다(도 6 참조). 디-히드록시화 프레드니손의 최소 2개 이상의 가능성 있는 산화 생성물이 LC-MS에서 확인되었지만, 프레드니손 반응 혼합물에서 관찰된 것과 같이 매우 낮은 전환율을 나타내었다.Similar products have been reported in small amounts by two nonspecific peroxygenases characterized by lyase reactions using similar substrates [Ullrich R, et al., J Inorg Biochem 183, 84-93]. CYP154C8 is known to sequentially oxidize steroids. From now on, it was confirmed that the di-hydroxylated product (P3) of prednisone was obtained due to the sequential hydroxylation of 21-hydroxyprednisone by CYP154C8. When 21-hydroxyprednisone is used instead of prednisone as a substrate, further hydroxylated product (P1, m/z + [M + H] + 391.1752), di-hydroxylated product of prednisone (P1) Potential oxidation products for (P3, m/z + [M + H] + 389.1958), CC cleavage (P4, 1-dihydroadrenosterone) and possible hydroxylation of 1-dihydroadrenosterone The formation of product (P2) was observed (see Fig. 6). At least two possible oxidation products of di-hydroxylated prednisone were identified in LC-MS, but showed very low conversions as observed in the prednisone reaction mixture.

(4) 코르티손에 대한 시간에 따른 NADPH 시스템에서의 전환(4) Conversion in the NADPH system over time for cortisone

NADPH 시스템에 의해 뒷받침된 코티티손의 시간-의존적 반응을 수행하여 생성물 형성에 대한 시간의 효과를 조사하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 반응 시간이 증가함에 따라 히드록시화된 생성물의 증가를 나타내었다. 더 중요하게, 시간에 따라 21-히드록시화된 생성물(P1)의 형성이 증가되었고, 이는 추가로 히드록시화되어 디-히드록시화 생성물(P3)을 생성하였다. 또한, 시간 간격의 증가에 따라, C-C 결합 절단 생성물의 피크(화살표)의 증가가 확인되었으며, C-C 결합 절단 생성물에 대한 가능성 있는 히드록시화된 생성물 피크(P4)의 낮은 전환율도 확인되었다. 히드록시화된 생성물의 가능성 있는 산화-유사 생성물의 정확한 질량을 갖는 매우 낮은 전환율을 갖는 다수의 다른 생성물이 또한 관찰되었다(자료 미도시).The effect of time on product formation was investigated by performing a time-dependent reaction of cortisone supported by the NADPH system. As shown in FIG. 7, as the reaction time increased, the hydroxylated product increased. More importantly, the formation of 21-hydroxylated product (P1) increased with time, which was further hydroxylated to give di-hydroxylated product (P3). In addition, with the increase of the time interval, an increase in the peak (arrow) of the C-C bond cleavage product was confirmed, and a low conversion rate of the probable hydroxylated product peak (P4) to the C-C bond cleavage product was also identified. A number of other products have also been observed with very low conversion rates with the correct mass of possible oxidation-like products of the hydroxylated product (data not shown).

(5) 산화제 H(5) Oxidant H 22 OO 22 를 이용한 CYP154C8 시스템 평가CYP154C8 system evaluation using

CYP154C8은 H2O2 및 PIDA로 시험관 내에서 촉매 기능을 나타내었으므로, 2개 산화제(H2O2 및 PIDA) 존재 하에서 시험관 내 반응을 수행하였다. 프레드니손의 H2O2에 의해 뒷받침된 반응 혼합물은 NADPH 시스템에서 주요 생성물인 것으로 확인된 21-히드록시프레드니손(21-hydroxyprednisone)의 생성을 거의 나타내지 않았다(도 8a 참조). 또 다른 모노-히드록시화된 생성물(P1, 가능성 있는 16α-히드록시프레드니손), [M + H]+ 345.1697의 질량을 갖는 생성물(P2, 가능성 있는 17-히드록시-3,11-디옥소-1,4-다이엔-17-카르복실산), 가능성 있는 히드록시프레드니손에 대한 산화-유사 생성물(P3 및 P4) 및 1-디히드로아드레노스테론(P5)이 확인되었다. P2-유사 생성물은 H2O2 시스템을 갖는 다른 기질에서도 현저하게 관찰되었다. 유사한 생성물 형성 패턴이 프레드니솔론(도 8b), 코르티손(도 8c) 및 히드로코르티손(도 8d)에서 관찰되었다.CYP154C8 is therefore showed the catalytic function in vitro as H 2 O 2 and PIDA, the in vitro reaction was performed in the presence of two oxidant (H 2 O 2 and PIDA). The reaction mixture supported by H 2 O 2 of prednisone showed little production of 21-hydroxyprednisone, which was found to be a major product in the NADPH system (see Fig. 8A). Another mono-hydroxylated product (P1, possibly 16α-hydroxyprednisone), a product with a mass of [M + H] + 345.1697 (P2, possible 17-hydroxy-3,11-dioxo- 1,4-diene-17-carboxylic acid), possible oxidation-like products for hydroxyprednisone (P3 and P4) and 1-dihydroadrenosterone (P5) were identified. P2-like products were observed prominently in other substrates with H 2 O 2 systems. Similar product formation patterns were observed with prednisolone (FIG. 8b ), cortisone (FIG. 8c) and hydrocortisone (FIG. 8d ).

(6) 산화제 PIDA를 이용한 CYP154C8 시스템 평가(6) Evaluation of CYP154C8 system using oxidizer PIDA

PIDA에 의해 뒷받침된 반응은 21-히드록시프레드니손(P1)으로의 주요 전환이 확인되었으며, 2번째 생성물(P2)은 HPLC 크로마토그램과 LC-MS를 기반으로 한 C-C 결합 절단 생성물(1-디히드로아드레노스테론)로 확인되었다(도 9a 참조). 또한, 피크 P2는 다른 기질의 존재 하에서도 미량으로 관찰되었다(도 9b 내지 도 9d 참조).The reaction supported by PIDA confirmed the major conversion to 21-hydroxyprednisone (P1), and the second product (P2) was the CC bond cleavage product (1-dihydroa) based on HPLC chromatogram and LC-MS. Drenosterone) (see Fig. 9A). In addition, peak P2 was observed in trace amounts even in the presence of other substrates (see FIGS. 9B to 9D).

(7) C-C 결합 절단물의 확인(7) Confirmation of C-C bond cuts

H2O2 및 PIDA에 의해 뒷받침된 모든 반응은 LC-MS 분석에 의해 확인된 C-C 용해성(lytic) 생성물의 형성을 나타내었다(자료 미도시). 코르티손의 C-C 결합 절단 생성물은 실제 표준물질과의 HPLC 비교에 의해 아드레노스테론(adrenosterone)으로 확인되었다(도 10 참조). 나머지 생성물의 전환율이 낮아 NMR에 의한 구조적 해석이 이루어질 수 없었다. CYP154C8은 C11 및 C21 작용기(히드록시 또는 카르보닐)가 결핍된 스테로이드를 C16α 위치에서 히드록시화시키기 때문에 반응에서 얻어진 다른 모노-히드록시화된 생성물의 히드록시화의 가능한 위치는 C16 위치일 수 있다고 가정된다. 선행문헌[B. Dangi,et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077]에서, P1은 프레드니손의 21-히드록시 생성물인 것으로 밝혀졌으며, 구조적 해석은 그러한 유형의 생성물 피크(코르티손, 히드로코르티손 및 프레드니솔론의 P1)에 대응되는 각각의 기질에 따른 21-히드록시(21-같은 자리-디올, 21-geminal-diol) 생성물을 나타낸다.All reactions supported by H 2 O 2 and PIDA showed the formation of a CC lytic product confirmed by LC-MS analysis (data not shown). The CC bond cleavage product of cortisone was confirmed as adrenosterone by HPLC comparison with an actual standard (see FIG. 10). Since the conversion rate of the remaining products was low, structural analysis by NMR could not be performed. Because CYP154C8 hydroxylates steroids deficient in C11 and C21 functional groups (hydroxy or carbonyl) at the C16α position, a possible position for the hydroxylation of other mono-hydroxylated products obtained in the reaction may be at the C16 position. Is assumed. Prior literature [B. Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077], P1 was found to be the 21-hydroxy product of prednisone, and the structural analysis showed that product peaks of that type (P1 of cortisone, hydrocortisone and prednisolone) were found. The corresponding 21-hydroxy (21-identical-diol, 21-geminal-diol) product is shown for each substrate.

다른 기질인 프레드니솔론, 코르티손, 히드로코르티손 또한 NADPH, H2O2 및 PIDA에 의해 개별적으로 뒷받침된 프레드니손과 유사한 패턴의 생성물을 형성하였다. NADPH에 의해 뒤받침된 반응은 NADH 시스템과 비교하여 CYP154C8에 의한 훨씬 높은 전환율을 나타내어 Pdx 및 Pdr에 비해 시금치 산화·환원 파트너의 효과를 나타내었다(표 2 참조).Other substrates, prednisolone, cortisone, hydrocortisone, also formed products in a similar pattern to prednisone, individually supported by NADPH, H 2 O 2 and PIDA. The reaction supported by NADPH showed a much higher conversion rate by CYP154C8 compared to the NADH system, indicating the effect of spinach oxidation/reduction partners compared to Pdx and Pdr (see Table 2).

Figure pat00007
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생성물 및 기질의 흡광도 특성이 유사하다고 가정하면, 생성물의 피크 면적과 생성물 및 기질이 결합된 피크 면적을 상관시킴으로써 생성물을 정량화하였다. NADH에 의해 뒷받침된 반응과 달리, NADPH 시스템은 각각의 기질의 21-히드록시 생성물(추가 히드록시화되어 디히드록시화된 생성물을 형성함)이 주된 전환율(높은 선택성)을 갖는 것으로 밝혀진 변화된 생성물 프로파일을 나타내었다. 모노-히드록실화된 생성물(P3; 가능성 있는 16α-히드록시화)은 낮은 전환율(낮은 선택성)을 나타내었다. 히드로코르티손 반응 혼합물은 가능성 있는 21-히드록시코르티손에 대해 약 90 %의 선택성을 나타내었다. 종래의 NADH-의존성 시스템은 기질인 코르티손, 프레드니손 및 프레드니솔론과 함께 2개 생성물(21-히드록시 및 가능성 있는 16α 히드록시 생성물)에 대해 거의 유사한 전환율을 나타내었으며; 반면에 21-히드록시히드로코르티손에 대한 선택성은 기질인 히드로코르티손을 통하여 가능성이 있는 16α-히드록시히드로코르티손보다 낮았다.Assuming that the absorbance properties of the product and the substrate are similar, the product was quantified by correlating the peak area of the product and the peak area to which the product and the substrate are bound. Unlike the reactions supported by NADH, the NADPH system is a modified product in which the 21-hydroxy product of each substrate (which is further hydroxylated to form a dihydroxylated product) is found to have a predominant conversion rate (high selectivity). The profile is shown. The mono-hydroxylated product (P3; possible 16α-hydroxylated) showed low conversion (low selectivity). The hydrocortisone reaction mixture exhibited a selectivity of about 90% over the possible 21-hydroxycortisone. The conventional NADH-dependent system showed nearly similar conversions for the two products (21-hydroxy and possibly 16α hydroxy products) with the substrates cortisone, prednisone and prednisolone; On the other hand, the selectivity to 21-hydroxyhydrocortisone was lower than that of 16α-hydroxyhydrocortisone, which is possible through the substrate hydrocortisone.

(8) 고찰(8) Discussion

CYP154C8은 C17에서 히드록시 아세틸과 히드록시 작용기를 가진 스테로이드의 C-C 결합 절단 반응을 촉매하는 것으로 알려진 최초의 세균성 CYP이다. 선행문헌[B. Dangi,et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077]에 따라, CYP154C8이 NADH와 Pdx 및 Pdr을 포함하는 대체 산화·환원 파트너로 재구성되는 경우, 절단 산물의 검출은 얻어지지 않고 2개의 모노-히드록시화된 생성물의 형성은 명백히 확인되었다. 그러나, NADPH와 시금치 대체 산화·환원 파트너인 Fdx 및 Fdr은 CYP154C8에 의한 촉매 효율뿐만 아니라 생성물의 분포에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본 발명에서, 히드록시화된 생성물 이외에, 사용된 모든 시스템에서 C-C 결합 절단 생성물이 검출되었다. 이러한 결과는 산화·환원 파트너의 선택이 CYP에 의한 생성물의 형성에 있어 그 유형과 선택성을 변화시킬 수 있다는 점을 나타낸다. 더 중요한 것은, 대체 산화·환원 파트너 단백질은 CYP의 완전한 특성에 영향을 미칠 수 있다.CYP154C8 is the first bacterial CYP known to catalyze the C-C bond cleavage reaction of hydroxy acetyl and hydroxy functional steroids at C17. Prior literature [B. Dangi, et al., ChemBioChem 2018, 19, 1066-1077], when CYP154C8 is reconstituted with NADH and alternative redox partners including Pdx and Pdr, detection of cleavage products is not obtained and two mono- The formation of the hydroxylated product was clearly confirmed. However, NADPH and spinach replacement oxidation and reduction partners Fdx and Fdr have been shown to affect the distribution of the product as well as the catalytic efficiency by CYP154C8. In the present invention, in addition to the hydroxylated product, C-C bond cleavage products were detected in all systems used. These results indicate that the choice of an oxidation-reduction partner can change its type and selectivity in the formation of a product by CYP. More importantly, alternative redox partner proteins can influence the full characterization of CYP.

CYP154C8은 스테로이드 기질(프로게스테론, 안드로스텐디온, 테스토스ㅌ테테론 및 난드롤론)을 순차적으로 히드록시화시키는 것으로 알려진 바 있다. CYP154C8이 적절하고 효율적인 산화·환원 파트너 단백질과 파트너가 되었을 때, 프레드니손, 코르티손, 히드로코르티손 및 코르티손을 포함한 스테로이드 기질의 순차적 산화를 촉매하는 것으로 확인되었다. NADPH와 FAD 및 Fdx를 포함하는 시금치 산화·환원 파트너 단백질의 존재 하에서, CYP154C8의 촉매 효율은 NADH와 Pseudomonas putida 유래의 Pdx 및 Pdr을 포함하는 산화·환원 파트너 단백질에 의해 뒷받침되는 반응과 비교하여 더 높았다. 이러한 결과는 시금치 Fdx 및 Fdr 시스템이 Pdx 및 Pdr 산화·환원 시스템과 비교하여 CYP154C8에 대한 산화 환원 공여자로서 보다 효과적임을 나타낸다. 그러나, CYP 효소의 촉매 활성과 생성물 분포에 대한 산화·환원 파트너의 역할에 대한 많은 보고가 있었다. 또한, CYP154C8에 의해 촉매된 다양한 생성물의 분포에서 2가지 상이한 시스템에 대한 효과기(effector)로서 역할을 부정할 수 없다. CYP154C8은 C11 및 C21 위치에 작용기(히드록시 또는 카르보닐)를 포함하는 기질에 대한 21-히드록시화 생성물에 대해 보다 높은 선택성을 나타내지만, 이러한 효소는 양쪽 위치로부터 작용기가 결핍된(lacking) 기질의 C16α에서 위치- 및 입체특이적 히드록시화를 촉매한다.CYP154C8 has been known to sequentially hydroxylate steroid substrates (progesterone, androstenedione, testosterone and nandrolone). When CYP154C8 is partnered with an appropriate and efficient redox partner protein, it has been found to catalyze the sequential oxidation of steroid substrates including prednisone, cortisone, hydrocortisone and cortisone. In the presence of NADPH and FAD and spinach redox partner protein comprising Fdx, catalytic efficiency of CYP154C8 was higher compared to the reaction that is supported by the redox partner protein comprising a Pdx and Pdr of NADH and Pseudomonas putida origin . These results indicate that the spinach Fdx and Fdr systems are more effective as redox donors for CYP154C8 compared to the Pdx and Pdr redox systems. However, there have been many reports of the role of oxidation-reduction partners on the catalytic activity and product distribution of CYP enzymes. Moreover, it cannot be denied its role as an effector for two different systems in the distribution of various products catalyzed by CYP154C8. CYP154C8 exhibits higher selectivity for 21-hydroxylated products for substrates containing functional groups (hydroxy or carbonyl) at C11 and C21 positions, but these enzymes are substrates lacking functional groups from both positions. Catalyzes the position- and stereospecific hydroxylation at C16α of.

CYP154C8에 의한 C-C 결합 절단 산물(17-케토스테로이드)의 정확한 메커니즘은 명확히 확인되지 않지만, CYP에 의해 촉매되는 반응물의 대부분은 필요한 기능을 생성하고 C-C 결합 절단을 촉진하는 연속적인 히드록시화를 포함한다. 유사한 반응 패턴이 CYP154C8에 의해 촉매된 C-C 결합 절단 생성물 형성에 관여했을 것으로 사료된다(도 11 참조). 21-히드록시프레드니손을 프레드니손 대신 기질로 사용한 반응에서 C-C 결합 절단 생성물의 생성은 C-C 결합 절단 생성물 형성에 이와 같은 생성물(21-히드록시프레드니손)이 관여함을 나타내었다.The exact mechanism of the CC bond cleavage product (17-ketosteroid) by CYP154C8 is not clearly identified, but most of the reactants catalyzed by CYP involve successive hydroxylation that produces the required function and promotes CC bond cleavage. . It is believed that a similar reaction pattern was involved in the formation of C-C bond cleavage products catalyzed by CYP154C8 (see Fig. 11). The generation of a C-C bond cleavage product in the reaction using 21-hydroxyprednisone as a substrate instead of prednisone indicated that such a product (21-hydroxyprednisone) is involved in the formation of the C-C bond cleavage product.

최근에는 비특이적 퍼옥시제나제가 유사 스테로이드의 C-C 결합 절단 반응을 다단계로 촉매하는 것이 보고되고 있다. 2개의 퍼옥시게나제는 코르티손, 프레드니손 및 11-디옥시코르티솔(11-deoxycortisol) 기질의 C21 위치에서 히드록시화를 촉매하고, 결국 이들은 17-케토스테로이드를 형성하는 C-C 결합 절단로 이어지는 가능성 있는 카르복실산으로 전환시킨다. CYP154C8에 의한 C-C 결합 절단 산물의 형성에 대한 반응 순서는 이들 2개의 비특이적 퍼옥시노게나제와 유사할 수 있다. 그러나, CYP154C8에 의해 촉매화되는 반응 시간의 증가에 따라, 퍼옥시게나제에 의한 반응 생성물의 패턴과는 대조적으로, C-C 결합 절단 생성물 형성에 있어 변화가 관찰되지 않았다. 반응 시간의 증가에 따라 21-히드록시프레드니손으로부터의 디-히드록시화된 생성물의 증가가 관찰되는 동안에 다만, 이와 같은 생성물(17-케토스테로이드)의 순차적 히드록시화가 미량으로 관찰되었다. 이는 CYP154C8이 주된 기능이 히드록시화임을 나타낼 수 있다. 그러나, C17에서 히드록시 아세틸 및 히드록시 작용기를 갖는 스테로이드 기질의 21-히드록시화는 C-C 결합 절단 반응으로 진행될 수 있지만, NADPH 시스템에 의해 반응이 뒷받침되는 경우에 디히드록시화된 생성물 형성과 비교하여 낮은 선택성을 가질 수 있다. 미량에서 검출된 히드록시화된 생성물과 같은 가능성 있는 산화물의 형성은 분명하지 않았다.Recently, it has been reported that non-specific peroxygenase catalyzes the C-C bond cleavage reaction of similar steroids in multiple stages. The two peroxygenases catalyze the hydroxylation at the C21 position of the substrates cortisone, prednisone and 11-deoxycortisol, which in turn leads to the cleavage of the CC bond to form a 17-ketosteroid. Convert to acid. The sequence of reactions for the formation of C-C bond cleavage products by CYP154C8 may be similar to these two non-specific peroxynogenases. However, with an increase in the reaction time catalyzed by CYP154C8, no change was observed in the formation of the C-C bond cleavage product, as opposed to the pattern of the reaction product by peroxygenase. While an increase in the di-hydroxylated product from 21-hydroxyprednisone was observed with an increase in reaction time, the sequential hydroxylation of this product (17-ketosteroid) was observed in trace amounts. This may indicate that CYP154C8 is the main function of hydroxylation. However, 21-hydroxylation of steroid substrates with hydroxy acetyl and hydroxy functional groups at C17 can proceed as a CC bond cleavage reaction, but compared to the formation of dihydroxylated products when the reaction is supported by the NADPH system. Therefore, it can have low selectivity. The formation of possible oxides, such as hydroxylated products detected in trace amounts, was not clear.

프레드니손 모노-히드록시화된 생성물(주 생성물)에 대한 NMR 구조적 해석은 C21 위치(21-geminal-diol)에서 히드록시화를 나타내었으며, 동일한 시료는 프레드니손 21-알데히드 형성을 보였으나 저농도로 확인되었다. 탈수(dehydration) 조건 하에서 같은 자리-디올(geminal-diol)을 갖는 알데히드 형성이 관찰되었다. 반응에서 21-알데히드를 포함하는 생성물은 추가 히드록시화를 거쳐 가능성 있는 산화-유사 생성물을 형성할 수 있다. 유사하게, 프레드니손의 디-히드록시화 생성물은 21-알데히드 형태로 존재할 수 있고, 디-히드록시화 생성물은 21-히드록시프레드니손의 추가 히드록시화의 결과로서 얻어진 것이므로, CYP154C8에 의해 순차적으로 히드록시화되어 반응 혼합물 중에서 디히드록시화된 프레드니손 및 유사한 기질에 대한 각각의 산화-유사 생성물을 형성시킬 수 있다(도 12 참조). 케토(keto)기와 에폭시드(epoxide)가 히드록시기로부터 형성될 수 있기 때문에, 산화 생성물의 형성 가능성은 이중 결합이 존재하거나 케토 또는 에폭시드의 형성에 기인한 것으로 사료된다(Khatri Y, et al., FEBS Lett 2016, 590, 4638-4648; Chiang JY, Front Biosci 1998, 3, d176-d193).NMR structural analysis of the prednisone mono-hydroxylated product (main product) showed hydroxylation at the C21 position (21-geminal-diol), and the same sample showed prednisone 21-aldehyde formation but was confirmed at low concentration. . The formation of aldehydes with the same geminal-diol was observed under dehydration conditions. Products comprising 21-aldehydes in the reaction can undergo further hydroxylation to form probable oxidation-like products. Similarly, the di-hydroxylated product of prednisone may exist in the form of 21-aldehyde, and the di-hydroxylated product was obtained as a result of the further hydroxylation of 21-hydroxyprednisone, and thus, sequentially hydroxyated by CYP154C8. It can be oxylated to form the respective oxidation-like products for dihydroxylated prednisone and similar substrates in the reaction mixture (see Figure 12). Since keto groups and epoxides can be formed from hydroxy groups, the possibility of formation of oxidation products is thought to be due to the presence of double bonds or the formation of keto or epoxides (Khatri Y, et al., FEBS Lett 2016, 590, 4638-4648; Chiang JY, Front Biosci 1998, 3, d176-d193).

NADPH 시스템을 사용하여 미량(trace)으로 확인되었지만 산소 대체제와 명확하게 관찰된 프레드니손의 17-히드록시-3,11-디옥소-1,4-다이엔-17-카르복실산(17-카르복실산)-유사 생성물 및 각각의 기질에 대한 유사한 생성물을 형성하는 것은 아직 분명하지 않았다. 그러한 생성물의 형성 가능성은 C20과 C21 사이의 C-C 결합 절단에 기인하는 것일 수 있다. 여기서, CYP154C8은 C-C 결합을 상이한 위치에서 절단함으로써 C17에서 히드록시아세틸 및 히드록시 작용기를 갖는 스테로이드의 절단에 관여했을 수 있다. 따라서, 프레드니손의 17-히드록시-3,11-디옥소-1,4-다이엔-17-카르복실산 유사 생성물과 다른 기질에서의 유사 생성물의 형성은 1-디히드로아드레노스테론 및 다른 기질에 대한 유사 생성물의 형성과 독립적인 것일 수 있다.17-hydroxy-3,11-dioxo-1,4-diene-17-carboxylic acid (17-carboxyl) of prednisone, identified as trace using the NADPH system, but clearly observed with oxygen substitutes. It has not yet been clear to form acid)-like products and similar products for each substrate. The possibility of formation of such a product may be due to the C-C bond cleavage between C20 and C21. Here, CYP154C8 may be involved in the cleavage of steroids having hydroxyacetyl and hydroxy functional groups at C17 by cleaving the C-C bond at different positions. Thus, the formation of the 17-hydroxy-3,11-dioxo-1,4-diene-17-carboxylic acid-like product of prednisone and the like product on other substrates is caused by 1-dihydroadrenosterone and other substrates. It may be independent of the formation of a similar product to

스테로이드는 미생물에 편재하는(ubiquitous) 성장 기질이며, 박테리아의 히드록시라제(hydroxylase)는 스테로이드의 절단에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, CYP125A1, CYP142A1 및 CYP124A1은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)의 생존과 C27에서 말단 알콜을 형성하고 이어서 알데히드 및 카르복실산으로 산화시키는 옥시작용화(oxyfunctionalization)에 의한 콜레스테롤 절단에 의해 감염의 확산에 필수적인 역할을 한다. 이러한 반응은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)의 생존 및 전염력에 필수적인 것으로 확인되었다. 21-히드록시프레드니손으로부터 디-히드록시프레드니손의 형성을 유도하는 반응은 NADPH에 의해 뒷받침된 반응에서 C-C 결합 절단 생성물(1-디히드로아드레노스테론)보다 훨씬 더 높은 것으로 확인되었다. C-C 결합 절단 생성물의 형성에서 디히드록시프레드니손이 관여한다는 것은 분명하지 않지만, 생성물 형성의 패턴은 히드록시화된 생성물이 C-C 결합 절단을 완전히 유도하지 못한다는 것을 나타낸다. 널리 연구된 포유류성 CYP인 CYP17A1은 프로게스테론(progesterone) 및 프레그네놀론(pregnenolone)의 17α-히드록시화를 촉매하는 것으로 알려져 있으며, 이 2개의 히드록시화된 생성물은 모두 C17-C20 결합에서 절단되어 안드로스텐디온(androstenedione) 및 디히드로에피안드로스테론(dehydroepiandrosterone)을 각각 형성한다. 최근에 CYP17A1는 프로게스테론을 부(minor) 생성물로 16α-히드록시프로게스테론으로 전환시키는 것으로 확인되었고, 17α-히드록시프레그네놀론 및 17α-히드록시프로게스테론 기질에서 16α-히드록시화 활성이 관찰되었다. CYP17A1의 리아제(lyase) 활성에 의해 형성된 디히드로에피안드로스테디온(dehydroepiandrostenedione) 및 안드로스텐디온(androstenedione) 생성물은 16α-위치에서 더 히드록시화되었다. 유사하게, 제브라피쉬(zebrafish) CYP17A1 및 CYP17A2는 고농도 및 증가된 반응 시간 하에서 17α,21-(OH)2 프로게스테론, 16,17α-(OH)2 프로게스테론, 6β,16,17α-(OH)3 프로게스테론, 17α,21-(OH)2 프레그네놀론 및 16,17α-(OH)2 프레그네놀론과 같은 추가 생성물을 형성하였다.Steroids are ubiquitous growth substrates in microorganisms, and bacterial hydroxylase plays an important role in the cleavage of steroids. For example, CYP125A1, CYP142A1 and CYP124A1 contribute to the survival of Mycobacterium tuberculosis and the spread of infection by cholesterol cleavage by oxyfunctionalization, which forms terminal alcohols at C27 and then oxidizes them to aldehydes and carboxylic acids. It plays an essential role. This reaction was found to be essential for the survival and infectiousness of Mycobacterium tuberculosis . The reaction leading to the formation of di-hydroxyprednisone from 21-hydroxyprednisone was found to be much higher than the CC bond cleavage product (1-dihydroadrenosterone) in the reaction supported by NADPH. Although it is not clear that dihydroxyprednisone is involved in the formation of the CC bond cleavage product, the pattern of product formation indicates that the hydroxylated product does not completely induce the CC bond cleavage. CYP17A1, a widely studied mammalian CYP, is known to catalyze the 17α-hydroxylation of progesterone and pregnenolone, and both hydroxylated products are cleaved at the C17-C20 bond. Androstenedione and dehydroepiandrosterone are formed, respectively. Recently, CYP17A1 was found to convert progesterone to 16α-hydroxyprogesterone as a minor product, and 16α-hydroxylating activity was observed in 17α-hydroxypregnenolone and 17α-hydroxyprogesterone substrates. Dehydroepiandrostenedione and androstenedione products formed by the lyase activity of CYP17A1 were further hydroxylated at the 16α-position. Similarly, zebrafish CYP17A1 and CYP17A2 were 17α,21-(OH) 2 progesterone, 16,17α-(OH) 2 progesterone, 6β,16,17α-(OH) 3 progesterone under high concentration and increased reaction time. , 17α,21-(OH) 2 pregnenolone and 16,17α-(OH) 2 pregnenolone.

CYP154C8은 산소 대체제인 H2O2 및 PIDA의 존재 하에서 스테로이드의 전환을 적극적으로 입증했다. 2가지 산화제는 C-C 결합 절단 생성물의 뚜렷한 형성을 나타내는 반응을 뒷받침하였다. H2O2는 저렴한 가용성으로 인해 CYP를 산업용으로 사용하는 효율적인 방법 중 하나이며 모든 CYP가 H2O2 존재 하에서 작용할 수 있는 것은 아니다. 그러나, 과산화물(peroxide)에 의한 헴(heme)의 산화적 절단은 중요한 문제가 된다. 놀랍게도, CYP154C8은 고농도의 H2O2의 존재 하에서 10 mM의 농도 이하에서 생성물이 관찰되지 않는 활성을 나타냈다. PIDA와 같은 산화제를 이용하여 얻어진 C-C 결합 절단 생성물은 화합물 I(FeO3+)가 CYP154C8에 의해 촉매된 C-C 결합 절단 반응의 원인일 가능성이 있음을 나타낸다. 그러나, H2O2와의 반응은 또한 리아제 생성물을 나타내기 때문에, 리아제 반응에서의 화합물 O(Fe2+O2H)의 참여는 무시할 수 없다. 산화제를 이용한 리아제 생성물의 형성에서 화합물 I의 역할은 흥미롭고 논쟁의 대상이 되어왔다. 최근에, 산화제 요오도소벤젠(iodosobenzene)을 이용한 CYP17A1은 리아제 생성물을 형성하여 화합물 I 반응이 C-C 결합 절단 반응에 참여할 가능성이 있다는 증거를 제시하였다. 2개 시스템 모두 C-C 결합 절단 산물의 형성을 명백하게 나타내었지만, H2O2에 의해 뒷받침되는 반응에서는 각각의 기질의 21-히드록시화된 생성물이 PIDA와 비교하여 전환율이 매우 낮거나 전환되지 않는 것이 확인되었다. 이러한 가변적인 생성물 분포에 대한 정확한 이유는 분명하지 않지만 2개 시스템이 기질의 산화와 관련이 있는 두 개의 상이한 활성 산소종을 생성한다는 것은 분명하다. 따라서, 이러한 반응은 2개 시스템에 의해 시작된 기계적으로 다른 반응일 수 있다고 가정할 수 있다.CYP154C8 actively demonstrated the conversion of steroids in the presence of oxygen substitutes H 2 O 2 and PIDA. Two oxidizing agents supported the reaction, indicating a distinct formation of the CC bond cleavage product. H 2 O 2 is one of the efficient ways to use CYP for industrial use due to its low availability, and not all CYPs can function in the presence of H 2 O 2 . However, oxidative cleavage of heme by peroxide is an important problem. Surprisingly, CYP154C8 exhibited an activity in which no product was observed at a concentration of 10 mM or less in the presence of a high concentration of H 2 O 2 . The CC bond cleavage product obtained using an oxidizing agent such as PIDA indicates that compound I(FeO 3+ ) is likely to be the cause of the CC bond cleavage reaction catalyzed by CYP154C8. However, since the reaction with H 2 O 2 also represents the lyase product, the participation of the compound O (Fe 2 + O 2 H) in the lyase reaction cannot be ignored. The role of compound I in the formation of lyase products with oxidants has been interesting and controversial. Recently, CYP17A1 using the oxidant iodosobenzene formed a lyase product, providing evidence that the Compound I reaction may participate in the CC bond cleavage reaction. Both systems clearly showed the formation of CC bond cleavage products, but the reaction supported by H 2 O 2 showed that the 21-hydroxylated product of each substrate had very low conversion or no conversion compared to PIDA. Confirmed. The exact reason for this variable product distribution is not clear, but it is clear that the two systems produce two different reactive oxygen species that are involved in the oxidation of the substrate. Thus, it can be assumed that these reactions may be mechanically different reactions initiated by the two systems.

CYP2D6에 의한 촉매 반응에서 산화 생성물의 위치 선택성에서의 차이는 사용된 상이한 시스템의 뚜렷한 화학적 메커니즘으로 인하여 NADPH-P450 환원 효소, 큐멘 히드로퍼옥사이드(cumene hydroperoxide), 요오도소벤젠(iodosobenzene)에 의해 반응이 개별적으로 뒷받침되는 경우에 관찰되었다. 유사하게, CYP2B1에 의해 촉매되고 P450/NADPH/O2 - 및 P450/PhIO 시스템에 의해 개별적으로 뒷받침되는 또 다른 반응에서, 2개 시스템의 활성 산소종은 페릴-옥소-종(ferryl-oxo-species)으로 널리 알려진 것이었지만, 2개 시스템 사이에서 관찰된 기계적 차이는 두 시스템의 화학적 차이와 관련이 있을 가능성이 가장 높았다. 초기에, 화합물 I은 촉매적으로 활성을 갖는 산화제와 관련된 유일한 중요한 중간체인 것으로 여겨졌다. 그러나, 후속 실험에서 또 다른 산소종[화합물 I과 비교하여 변화된 생성물을 형성할 수 있는 활성 산화제로서 기능할 수 있는 히드로퍼옥시-철 종(hydroperoxy-iron species, FeⅢO2H)]의 존재에 대한 증거를 제시하였다.The difference in the regioselectivity of oxidation products in the catalytic reaction by CYP2D6 is due to the distinct chemical mechanisms of the different systems used, the reaction by NADPH-P450 reductase, cumene hydroperoxide, and iodosobenzene. This was observed when individually supported. Similarly, in another reaction catalyzed by CYP2B1 and supported separately by the P450/NADPH/O 2 - and P450/PhIO systems, the reactive oxygen species of the two systems are ferryl-oxo-species ), but the mechanical differences observed between the two systems were most likely to be related to the chemical differences between the two systems. Initially, compound I was considered to be the only important intermediate associated with catalytically active oxidizing agents. However, in subsequent experiments, the presence of another oxygen species [hydroperoxy-iron species (FeIIIO 2 H), which can function as an active oxidizing agent capable of forming altered products compared to compound I]. Provided evidence.

결론적으로, CYP154C8은 다양한 스테로이드의 다단계 히드록시화, C17 및 C21 위치에서 히드록시기를 갖는 기질의 C-C 결합 절단 및 히드록시화된 생성물의 가능성 있는 산화를 촉매하는 다기능 효소이다(도 13 참조). NADPH 시스템의 존재 하에서 수행된 반응은 CYP154C8이 C11 및 C21 위치에서 히드록시 또는 카르보닐기를 갖는 모든 기질의 C21 위치에서 히드록시화를 촉매한다는 것을 제시한다. 이 반응은 각각의 기질의 21-같은 자리(geminal)-디올(diol) 생성물을 생성하였다. 21-같은 자리(geminal)-디올(diol) 생성물은 순차적으로 히드록시화되어 디-히드록시화된 생성물을 생성하였다. 프레드니손의 디-히드록시화된 생성물 뿐만 아니라 21-같은 자리(geminal)-디올(diol)은 2개 생성물의 추가 산화 또는 알데히드 형태가 추가로 히드록시화되어 미량(trace)의 산화 생성물을 형성할 수 있다는 가설을 세웠다. 21-같은 자리(geminal)-디올(diol)은 C-C 결합 절단 생성물의 형성에 관련된 정확한 반응이 분명히 밝혀지지 않았지만, C-C 결합 절단 생성물(1-디히드로아드레노스테론(1-dehydroadrenosterone)의 형성에도 관여하였다. C-C 결합 절단 생성물은 C16α 위치에서 추가로 가능하게 히드록시화되었다.In conclusion, CYP154C8 is a multi-functional enzyme that catalyzes the multistage hydroxylation of various steroids, C-C bond cleavage of substrates with hydroxy groups at C17 and C21 positions, and the possible oxidation of hydroxylated products (see Figure 13). The reaction carried out in the presence of the NADPH system suggests that CYP154C8 catalyzes the hydroxyation at the C21 position of all substrates with hydroxy or carbonyl groups at the C11 and C21 positions. This reaction produced the 21-geminal-diol product of each substrate. The 21-geminal-diol product was sequentially hydroxylated to give a di-hydroxylated product. The di-hydroxylated product of prednisone, as well as the 21-geminal-diol, may further oxidize the two products, or the aldehyde form will be further hydroxylated to form a trace of the oxidation product. I hypothesized that it could be. 21-geminal-diol is also involved in the formation of the CC bond cleavage product (1-dehydroadrenosterone), although the exact reaction involved in the formation of the CC bond cleavage product was not clearly identified. The CC bond cleavage product was further possibly hydroxylated at the C16α position.

(9) 요약(9) Summary

본 발명자들은 스테로이드의 C-C 결합 절단 반응을 촉매하는 첫 번째 세균성 사이토크롬 P450인 CYP154C8을 보고하였다. NADPH와 시금치 산화·환원 파트너인 페레독신(ferredoxin) 및 페레독신 환원효소(ferredoxin reductase)에 의해 CYP154C8에 의한 반응이 뒷받침될 때, NADH에 의해 뒷받침된 이전에 보고된 푸티다레독신(putidaredoxin) 및 푸티다레독신 환원효소(putidaredoxin reductase)가 포함된 산화·환원 반응과 비교하여 CYP154C8에 의한 생성물 분포에서의 주요 변화를 관찰하였다. NMR-기반의 반응 생성물에 대한 구조적 해석을 통하여 21-히드록시프레드니손(21-hydroxyprednisone)이 프레드니손(prednisone)의 주요 생성물임을 나타내었으며, 한편으로 다른 생성물은 C-C 결합 절단으로 인해 얻어진 1-디히드로아드레로스테론(1-dehydroadrenosterone)임을 확인하였다. 코르티손, 히드로코르티손 및 프레드니솔론에서도 유사한 생성물 형성 패턴이 관찰되었다. 또한, 산소 대체물질의 존재 하에서 CYP154C8에 의해 촉매된 반응은 C-C 결합 절단 생성물의 형성을 현저하게 나타내었다.The present inventors reported CYP154C8, the first bacterial cytochrome P450 that catalyzes the C-C bond cleavage reaction of steroids. When the reaction by CYP154C8 is supported by NADPH and spinach redox partners ferredoxin and ferredoxin reductase, previously reported putidaredoxin and putidaredoxin supported by NADH. Major changes in product distribution by CYP154C8 were observed compared to the oxidation-reduction reactions containing putidaredoxin reductase. Structural analysis of the NMR-based reaction product showed that 21-hydroxyprednisone is the main product of prednisone, while the other product was 1-dihydroadre obtained by CC bond cleavage. It was confirmed that it was rosterone (1-dehydroadrenosterone). Similar product formation patterns were observed with cortisone, hydrocortisone and prednisolone. In addition, the reaction catalyzed by CYP154C8 in the presence of an oxygen substitute significantly indicated the formation of C-C bond cleavage products.

Claims (12)

CYP154C8을 이용하여 스테로이드의 17번 탄소 및 20번 탄소의 C-C 결합을 절단시키는 단계를 포함하는 스테로이드의 생물전환 방법.A method for bioconversion of a steroid comprising the step of cleaving the C-C bond of carbon 17 and carbon 20 of the steroid using CYP154C8. 제1항에 있어서, 상기 스테로이드가 프레드니손, 프레드니솔론, 코르티손 및 히드로코르티손으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the steroid is at least one selected from the group consisting of prednisone, prednisolone, cortisone and hydrocortisone. 제1항에 있어서, 상기 절단이 산화·환원 단백질 페레독신(ferredoxin, Fdx) 및 페레독신 환원 효소(ferredoxin reductase, Fdr)를 이용한 NADPH 의존성 시스템 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the cleavage is performed in the presence of a NADPH-dependent system using redox proteins ferredoxin (Fdx) and ferredoxin reductase (Fdr). 제3항에 있어서, 상기 Fdx가 0.1 내지 100 μM이고, Fdr이 0.01 내지 10 U인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 3, wherein the Fdx is 0.1 to 100 μM, and the Fdr is 0.01 to 10 U. 제3항에 있어서, 상기 NADPH가 10 내지 1000 μM인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 3, wherein the NADPH is 10 to 1000 μM. 제3항에 있어서, 상기 NADPH 의존성 시스템이 글루코스 6-포스페이트, 글루코스 6-포스페이트 디히드로게나제 및 카탈라제를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 3, wherein the NADPH dependent system comprises glucose 6-phosphate, glucose 6-phosphate dehydrogenase and catalase. 제1항에 있어서, 상기 절단이 다이아세톡시요오드벤젠 또는 H2O2의 산화제 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the cleavage is carried out in the presence of an oxidizing agent of diacetoxyiodobenzene or H 2 O 2 . 제7항에 있어서, 상기 다이아세톡시요오드벤젠이 0.1 내지 50 mM인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 7, wherein the diacetoxyiodobenzene is 0.1 to 50 mM. 제7항에 있어서, 상기 H2O2가 1 내지 100 mM인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.8. The method of claim 7, wherein the H 2 O 2 is 1 to 100 mM. 제1항에 있어서, 상기 CYP154C8가 0.1 내지 100 μM인 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the CYP154C8 is 0.1 to 100 μM. 제1항에 있어서, 상기 생물전환 방법이 pH 4 내지 10에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the bioconversion method is carried out at a pH of 4 to 10. 제1항에 있어서, 상기 생물전환 방법이 20 내지 40 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스테로이드의 생물전환 방법.The method of claim 1, wherein the bioconversion method is performed at 20 to 40°C.
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