Yushchuk O. Genetic mechanisms regulating the biosynthesis of peptide and polyketide antibiotics
Українська версіяThesis for the degree of Doctor of Science (DSc)
State registration number
0523U100158
Applicant for
Specialization
- 03.00.22 - Молекулярна генетика
20-09-2023
Specialized Academic Board
Д 26.254.01
Institute of Food Biotechnology and Genomics of the National Academy of Sciences of Ukraine
Essay
The thesis investigates genetic regulatory mechanisms orchestrating the biosynthesis of polyketide and peptide antibiotics in actinomycetes and genes controlling glycopeptide antibiotic (GPA) resistance mechanisms in bacteria. In this work we characterized novel genes, either functional or regulatory, involved in the biosynthesis of polyketide or GPA antibiotics, and in resistance thereof. First, we studied the adpA-mediated regulatory cascade in S. albus, unraveling some new players. Next, we designed a set of knowledge-guided molecular tools to manipulate putative and known actinomycetes-producers of peptide antibiotics: A. rectilineatus, S. roseochromogenes, N. gerenzanensis, and N. coxensis. Utilizing these tools, we were able to create overproducers of valuable GPA A40926 in N. gerenzanensis. Obtained strains had high A40926 production levels when cultivated in Erlenmeyer flasks or 3-L bioreactor. Accessing new ways to activate silent secondary metabolome in actinomycetes, we demonstrated that heterologous AdpA transcription 52 factors enhance landomycin A production in S. cyanogenus S136 under a broad range of growth conditions.These results allowed us to propose a phylogeny-based scenario for the spread of van genes, unraveling a network of consequential horizontal gene transfer events linking the phylum Actinobacteria with the five other bacterial classes carrying van genes.Overall, the results presented in this thesis pave new venues for the discovery of new antibiotics by means of comparative genomics, silent BGC activation, and combinatorial biosynthesis.
Research papers
Yushchuk O, Zhukrovska K, Ostash B, Fedorenko V, Marinelli F (2022) Heterologous expression reveals ancient properties of Tei3 – a VanS ortholog from the teicoplanin producer Actinoplanes teichomyceticus. International journal of molecular sciences 23(24):15713. https://doi.org/10.3390/ijms232415713 [IF 6,208; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2022 Molecular biology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, планування і виконання експериментів, написання рукопису та підготовка статті до друку)
Yushchuk O, Ostash B (2022) Glycopeptide antibiotics: genetics, chemistry, and new screening approaches. In: Rai, R.V., Bai, J.A. (eds.) Natural products from Actinomycetes. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-6132-7_16 [розділ монографії] (Особистий внесок здобувача: аналіз літератури, написання розділу, створення ілюстрацій, підготовка розділу до друку).
Ющук О, Жукровська К, Федоренко В (2022) Філогенія білківекспортерів глікопептидних і деяких споріднених антибіотиків. Вісник Львівського університету. Серія біологічна 86:33-46. http://dx.doi.org/10.30970/vlubs.2022.86.03 [фахове видання України] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, скринінг геномів і біоінформатичний аналіз, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Zhukrovska K, Berini F, Fedorenko V, Marinelli F (2022) Genetics behind the glycosylation patterns in the biosynthesis of dalbaheptides. Frontiers in chemistry 10:858708. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.858708 [IF 5,545; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2022 Chemistry] (Особистий внесок здобувача: аналіз літератури і написання огляду, створення ілюстрацій, підготовка статті до друку).
Ющук О, Жукровська К, Федоренко В (2022) Поширення кластерів генів біосинтезу комлестатину та подібних сполук у представників роду Streptomyces. Фактори експериментальної еволюції організмів 30:133-140. https://doi.org/10.7124/FEEO.v30.1474 [фахове видання України] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, скринінг геномів і біоінформатичний аналіз, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Binda E, Fedorenko V, Marinelli F (2022) Occurrence of vanHAX and related genes beyond the Actinobacteria phylum. Genes 13(11):1960. https://doi.org/10.3390/genes13111960 [IF 4,141; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2022 Genetics] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, скринінг геномів і біоінформатичний аналіз, написання рукопису та підготовка статті до друку)
Melnyk S, Stepanyshyn A, Yushchuk O, Mandler M, Ostash I, Koshla O, Fedorenko V, Kahne D, Ostash B (2022) Genetic approaches to improve clorobiocin production in Streptomyces roseochromogenes NRRL 3504. Applied microbiology and biotechnology 106(4):1543– 1556. https://doi.org/10.1007/s00253-022-11814-4 [IF 5,560; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2022 Applied Microbiology and Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: участь в концептуалізації, розробка методики перенесення плазмід в NRRL 3504, аналіз продукції хлоробіоцину в рекомбінантних штамів, аналіз результатів ВЕРХ, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Andreo-Vidal A, Binda E, Fedorenko V, Marinelli F, Yushchuk O (2021) Genomic insights into the distribution and phylogeny of glycopeptide resistance determinants within the Actinobacteria phylum. Antibiotics (Basel, Switzerland) 10(12):1533. https://doi.org/10.3390/antibiotics10121533 [IF 5,222; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2021 Infectious Diseases] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, скринінг геномів і біоінформатичний аналіз, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Hrab P, Rückert C, Busche T, Ostash I, Kalinowski J, Fedorenko V, Yushchuk O, Ostash B (2021) Complete genome sequence of Streptomyces cyanogenus S136, producer of anticancer angucycline landomycin A. 3 Biotech 11(6):282. https://doi.org/10.1007/s13205-021- 02834-4 [IF 2,893; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2021 Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація і планування дослідження, верифікація результатів аналізу in silico, участь в підготовці рукопису до друку).
Yushchuk O, Vior NM, Andreo-Vidal A, Berini F, Rückert C, Busche T, Binda E, Kalinowski J, Truman AW, Marinelli F (2021) Genomic-led discovery of a novel glycopeptide antibiotic by Nonomuraea coxensis DSM 45129. ACS Chemical Biology 16(5):915–928. https://doi.org/10.1021/acschembio.1c00170 [IF 4,634; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2021 Biochemistry] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, аналіз in silico, характеристика кластера, виконання всіх генно-інженерних робіт, пошук оптимальних умов культивування DSM 45129 для продукції антибіотика, ферментація DSM 45129 і похідних, аналіз і інтерпретація даних ВЕРХ, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Ostash I, Mösker E, Vlasiuk I, Deneka M, Rückert C, Busche T, Fedorenko V, Kalinowski J, Süssmuth RD, Ostash B (2021) Eliciting the silent lucensomycin biosynthetic pathway in Streptomyces cyanogenus S136 via manipulation of the global regulatory gene adpA. Scientific reports 11(1):3507. https://doi.org/10.1038/s41598-021- 82934-6 [IF 4,996; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2021 Multidisciplinary] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, аналіз in silico, характеристика кластера, виконання всіх генноінженерних робіт і аналізу отриманих рекомбінантів, пошук оптимальних умов культивування для продукції люцензоміцину, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Homoniuk V, Datsiuk Y, Ostash B, Marinelli F, Fedorenko V (2020) Development of a gene expression system for the uncommon actinomycete Actinoplanes rectilineatus NRRL B-16090. Journal of applied genetics 61(1):141–149. https://doi.org/10.1007/s13353-019- 00534-7 [IF 2,653; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2020 Genetics] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, виконання досліджень, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Homoniuk V, Ostash B, Marinelli F, Fedorenko V (2020) Genetic insights into the mechanism of teicoplanin self-resistance in Actinoplanes teichomyceticus. The Journal of antibiotics 73(4):255–259. https://doi.org/10.1038/s41429-019-0274-9 [IF 3,424; SCOPUS, WoS; SCImago Q3 – 2020 Pharmacology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, виконання досліджень, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Yushchuk O, Andreo-Vidal A, Marcone GL, Bibb M, Marinelli F, Binda E (2020) New molecular tools for regulation and improvement of A40926 glycopeptide antibiotic production in Nonomuraea gerenzanensis ATCC 39727 Frontiers in microbiology 11:8. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00008 [IF 6,064; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2020 Microbiology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, виконання досліджень, написання рукопису та підготовка статті до друку)
Yushchuk O, Binda E, Marinelli F (2020) Glycopeptide antibiotic resistance genes: distribution and function in the producer actinomycetes. Frontiers in microbiology 11:1173. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01173 [IF 6,064; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2020 Microbiology] (Особистий внесок здобувача: аналіз літератури і написання розділів присвячених продуцентам глікопептидів, створення ілюстрацій, підготовка статті до друку).
.Yushchuk O, Ostash B, Truman AW, Marinelli F, Fedorenko V (2020) Teicoplanin biosynthesis: unraveling the interplay of structural, regulatory, and resistance genes. Applied microbiology and biotechnology 104(8):3279–3291. https://doi.org/10.1007/s00253-020- 10436-y [IF 5,560; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2020 Applied Microbiology and Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: аналіз літератури і написання огляду, створення ілюстрацій, підготовка статті до друку)
Koshla O, Yushchuk O, Ostash I, Dacyuk Y, Myronovskyi M, Jäger G, Süssmuth RD, Luzhetskyy A, Byström A, Kirsebom LA, Ostash B (2019) Gene miaA for post-transcriptional modification of tRNAXXA is important for morphological and metabolic differentiation in Streptomyces. Molecular microbiology 112(1):249–265. https://doi.org/10.1111/mmi.14266 [IF 3,979; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2019 Molecular biology] (Особистий внесок здобувача: створення репортерної системи на основі плазміди pSAGA, створення подвійного мутанта ΔmiaA ΔbldA, створення плазмід із різними алелями гена adpA, комплементація мутантів ΔmiaA і ΔmiaA ΔbldA різними алелями adpA, аналіз властивостей мутантів і рекомбінантів, участь в написанні рукопису і підготовці статті до друку).
Yushchuk O, Kharel M, Ostash I, Ostash B (2019) Landomycin biosynthesis and its regulation in Streptomyces. Applied microbiology and biotechnology 103(4):1659–1665. https://doi.org/10.1007/s00253- 018-09601-1 [IF 5,560; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2019 Applied Microbiology and Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: аналіз літератури і розділів огляду, присвячених організації кластерів генів біосинтезу і регуляції продукції ландоміцинів, створення ілюстрацій, підготовка статті до друку).
.Yushchuk O, Horbal L, Ostash B, Marinelli F, Wohlleben W, Stegmann E, Fedorenko V (2019) Regulation of teicoplanin biosynthesis: refining the roles of tei cluster-situated regulatory genes. Applied microbiology and biotechnology 103(10):4089–4102. https://doi.org/10.1007/s00253- 019-09789-w [IF 5,560; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2019 Applied Microbiology and Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, планування і виконання експериментів, написання рукопису та підготовка статті до друку)
.Yushchuk O, Ostash I, Vlasiuk I, Gren T, Luzhetskyy A, Kalinowski J, Fedorenko V, Ostash B (2018) Heterologous AdpA transcription factors enhance landomycin production in Streptomyces cyanogenus S136 under a broad range of growth conditions. Applied microbiology and biotechnology 102(19):8419–8428. https://doi.org/10.1007/s00253-018- 9249-1 [IF 5,560; SCOPUS, WoS; SCImago Q1 – 2018 Applied Microbiology and Biotechnology] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, планування і виконання експериментів, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Rabyk M, Yushchuk O, Rokytskyy I, Anisimova M, Ostash B (2018) Genomic insights into evolution of adpa family master regulators of morphological differentiation and secondary metabolism in Streptomyces. Journal of molecular evolution 86(3-4):204–215. https://doi.org/10.1007/s00239-018-9834-z [IF 3,973; SCOPUS, WoS; SCImago Q2 – 2018 Genetics] (Особистий внесок здобувача: участь в аналізі даних, виконання експериментальної частини, участь в написанні рукопису та підготовці статті до друку).
Koshla O, Lopatniuk M, Rokytskyy I, Yushchuk O, Dacyuk Y, Fedorenko V, Luzhetskyy A, Ostash B (2017) Properties of Streptomyces albus J1074 mutant deficient in tRNALeu UAA gene bldA. Archives of microbiology 199(8):1175–1183. https://doi.org/10.1007/s00203-017- 1389-7 [IF 2,667; SCOPUS, WoS; SCImago Q3 – 2017 Genetics] (Особистий внесок здобувача: вивчення особливостей морфології і продукції антибіотиків в ΔbldA мутанта, участь в написанні рукопису та підготовці статті до друку)
Ющук ОС, Осташ БО, Горбаль ЛО, Федоренко ВО (2017). Реконструкція філогенії кластерів генів біосинтезу глікопептидів. Фактори експериментальної еволюції організмів 20:109-115. [фахове видання України] (Особистий внесок здобувача: концептуалізація, біоінформатичний аналіз, написання рукопису та підготовка статті до друку).
Tsypik O, Yushchuk O, Zaburannyi N, Flärdh K, Walker S, Fedorenko V, Ostash B (2016) Transcriptional regulators of GntR family in Streptomyces coelicolor A3(2): analysis in silico and in vivo of YtrA subfamily. Folia microbiologica 61(3):209–220. https://doi.org/10.1007/s12223-015-0426-7 [IF 2,629; SCOPUS, WoS; SCImago Q3 – 2016 Microbiology] (Особистий внесок здобувача: вивчення розповсюдження генів YtrA-регуляторів серед актинобактерій, aналіз властивостей генів SCO0823 і SCO3812, участь в написанні рукопису та підготовці статті до друку).
Патент України на винахід №119472 Україна, МПК (2006.01)C12P 1/06 C12P 19/64 C12N 15/80 C12R 1/465 Спосіб активування продукції сполук з антибіотичною та протигрибною властивостями у Streptomyces cyanogenus S136 / Ющук О., Осташ Б.; заявник і власник Львівський національний ун-т ім. І. Франка. – № a201702642, заявл. 21 березня 2017 р., опубл. 25.06.2019, Бюл. № 12. [патент України на винахід] (Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, написання і підготовка тексту патенту).
Stepanyshyn A., Yushchuk O., Marinelli F., Kalinowski J., Fedorenko V. Expression of pathway-specific regulators from dalbaheptide biosynthetic gene clusters induces antimicrobial properties of Amycolatopsis bartoniae DSM 45807. XVIІI international scientific conference for students and PhD students dedicated to the 195th anniversary from the birthday of Julius Planer «Youth and progress of biology»: abstracts, Lviv, 6–7 September 2022. Львів: Сполом, 2022. P. 72-73.
Duban R., Stepanyshyn A., Melnyk S., Fedorenko V., Ostash B., Yushchuk O. Approaching the activation of salinamide-like biosynthetic gene cluster in clorobiocin producer Streptomyces roseochromogenes NRRL 3504. IV International Scientific Conference: «Microbiology and Immunology – the Development»: book of abstracts, Kyiv, 22-23 September 2022. Kyiv: Taras Shevchenko National University of Kyiv, 2022. P. 65.
Stepanyshyn A., Melnyk S., Yushchuk O., Ostash I., Koshla O., Fedorenko V., Ostash B. Developing genetic instruments for manipulating Streptomyces roseochromogenes NRRL 3504 genome for increasing clorobiocin production. IV International Scientific Conference: «Microbiology and Immunology – the Development»: book of abstracts, Kyiv, 22-23 September 2022. Kyiv: Taras Shevchenko National University of Kyiv, 2022. P. 81.
Andreo-Vidal A., Yushchuk O., Berini F., Binda E., Marinelli F. Novel glycopeptide antibiotic by Nonomuraea coxensis DSM 45129. Online congress ExpoBAC Zaragoza 2020: abstracts, Zaragoza, 8-9 July 2021. Zaragoza: Spain, 2021.
Andreo-Vidal A., Binda E., Marinelli F., Yushchuk O. Comparative genomics of van-genes in glycopeptide producing Actinobacteria and beyond. VAAM Workshop 2021: Abstract book, Tübingen, 22-23 September 2021. Tübingen: Germany, 2021. P. 49
Степанишин A., Мельник C., Осташ Б., Ющук О. Аналіз мовчазного кластера генів біосинтезу криптичного салінамід-подібного антибіотика у продуцента хлоробіоцину S. roseochromogenes. XVII Міжнародна конференція студентів і аспірантів «Молодь і поступ біології»: тези доповідей, Львів, 27–29 квітня 2021 р. Львів, 2021. С. 114-115.
Yushchuk O., Ostash I., Melnyk S., Kalinowski J., Süssmuth R., Ostash B. Revealing cryptic secondary metabolome of Streptomyces via manipulation of global regulatory gene adpA. 3rd International conference on natural products discovery and development in the genomic era: abstracts, San Diego, 13 January 2020. https://sim.confex.com/sim/np2020/meetingapp.cgi/Paper/40268.
Ющук О., Жукровська К.-О., Федоренко В. Сенсорний домен гістидинової кінази Tei3 не здатний реагувати на глікопептидні антибіотики. XV Міжнародна наукова конференція студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології», присвячена 135 річниці від дня народження Я. Парнаса: тези доповідей, Львів, 9-11 квітня 2019 р. Львів, 2019. С. 37.
Ющук О., Власюк І., Осташ І., Федоренко В., Осташ Б. Властивості базальних представників ортологічної групи АdpА-регуляторів. XV Міжнародна наукова конференція студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології», присвячена 135 річниці від дня народження Я. Парнаса: тези доповідей, Львів, 9-11 квітня 2019 р. Львів, 2019. С. 36.
Homoniuk V., Yushchuk O., Ostash B., Fedorenko V. Pathway-specific regulator of teicoplanin biosynthesis tei15* does not interact with tei2 promotor in heterologous system. XIV International scientific conference of students and PhD students «Youth and progress of biology»: abstracts, Lviv, 10-12 April 2018. Lviv, 2018. P. 128-129
.Vlasiuk I., Yushchuk O., Ostash B., Fedorenko B. Landomycin A production of AdpA-overexpressing S. сyanogenus S136 strains in extremely depleted media. XIV International scientific conference of students and PhD students «Youth and progress of biology»: abstracts, Lviv, 10-12 April 2018. Lviv, 2018. P. 132.
Vlasiuk I., Ostash B., Yushchuk O., Ostash I., Kuzhyk Y., Melnyk S., Hrab P., Suessmuth R., Fedorenko V. Pleiotropic transcriptional factor AdpA as a tool to upregulate antibiotic production by Streptomyces. International Conference «Advances in microbiology and biotechnology»: abstract book, Lviv, 29-31 October 2018. Lviv, 2018. P. 44.
Vlasiuk I., Yushchuk O. Heterologous AdpA activate cryptic lucensomycin biosynthetic gene cluster in Streptomyces cyanogenus S136. XІIІ international scientific conference of young scientists «Biology: from molecule to biosphere»: abstracts, Kharkiv, 28-30 November 2018. Kharkiv, 2018. P. 82-83.
.Жукровська К.-О., Ющук О., Федоренко В. Дослідження індуцибельності сенсорної гістидинової кінази tei3 з Аctinoplanes teichomyceticus. XIV Міжнародна наукова конференція студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології», присвячена 185 річниці від дня народження Б. Дибовського: тези доповідей, Львів, 10-12 квітня 2018. Львів, 2018. С. 133.
Koshla O., Yushchuk O., Ostash I, \ Kravets K., Suessmuth R., Jäger G., Bystrom A., Ostash B., Fedorenko V. Post-transcriptional modifications of tRNA modulate secondary metabolism of Streptomyces. International Conference «Advances in microbiology and biotechnology»: abstract book, Lviv, 29-31 October 2018. Lviv, 2018. P. 75.
Vlasiuk I., Yushchuk O. Expression of different adpA genes increases landomycin A production in Streptomyces cyanogenus S136 // XІI international scientific conference of young scientists «Biology: from molecule to biosphere»: abstracts, Kharkiv, 29 November – 1 December 2017. Kharkiv, 2017. P. 68.
Гомонюк В.В., Ющук О.С., Горбаль Л.О. Експресія генів стійкості до глікопептидів у продуцента тейкопланіну Actinoplanes teichomyceticus. XІI Міжнародна конференція молодих науковців «Біологія: від молекули до біосфери»: тези доповідей, Харків, 29 листопада – 1 грудня 2017 р. Харків, 2017. С. 64.
Zhukrovska K.-O., Yushchuk O. Expression of tei3 gene encoding VanS-like sensor histidine kinase from teicoplanin biosynthesis gene cluster leads to teicoplanin resistance in S. coelicolor M512. XІI international scientific conference of young scientists «Biology: from molecule to biosphere»: abstracts, Kharkiv, 29 November – 1 December 2017. Kharkiv, 2017. P. 69.
Yushchuk O. Evolution of glycopeptide and moenomycin antibiotic biosynthesis pathways in bacteria. International conference «Integrative Biology & Medicine»: abstracts, Kyiv, 2-7 October, 2017. Kyiv, 2017. P. 75.
Similar theses
0421U104094
Pokholenko Ianina Oleksandrivna
Construction of model DNA-vaccine and ways to enhance its immunogenic properties
0521U101765
Morgun Bogdan Volodymyrovych
Improvement of cultivated cereals by methods of genetic engineering and marker-associated selection.
0421U103342
Sadovnychenko Iurii Olexandrovych
Genetic study of ichthyosis in Kharkiv region
0421U103343
Verlinsky Oleg Yu.
Family-specific prеimplantation genetic testing for the prevention of monogenic and chromosomal pathology in humans
0421U102664
Zharikova Daria O.
Polymorphism at loci associated with E genes in Ukrainian soybean (Glycine max (L.) Merr.) varieties and lines