A wide variety of enzymatic pathways that produce specialized metabolites in bacteria, fungi and plants are known to be encoded in biosynthetic gene clusters. Information about these clusters, pathways and metabolites is currently dispersed throughout the literature, making it difficult to exploit. To facilitate consistent and systematic deposition and retrieval of data on biosynthetic gene clusters, we propose the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG) data standard.

Chronic liver disease due to alcohol-use disorder contributes markedly to the global burden of disease and mortality1–3. Alcoholic hepatitis is a severe and life-threatening form of alcohol-associated liver disease. The gut microbiota promotes ethanol-induced liver disease in mice4, but little is known about the microbial factors that are responsible for this process. Here we identify cytolysin—a two-subunit exotoxin that is secreted by Enterococcus faecalis5,6—as a cause of hepatocyte death and liver injury. Compared with non-alcoholic individuals or patients with alcohol-use disorder, patients with alcoholic hepatitis have increased faecal numbers of E. faecalis. The presence of cytolysin-positive (cytolytic) E. faecalis correlated with the severity of liver disease and with mortality in patients with alcoholic hepatitis. Using humanized mice that were colonized with bacteria from the faeces of patients with alcoholic hepatitis, we investigated the therapeutic effects of bacteriophages that target cytolytic E. faecalis. We found that these bacteriophages decrease cytolysin in the liver and abolish ethanol-induced liver disease in humanized mice. Our findings link cytolytic E. faecalis with more severe clinical outcomes and increased mortality in patients with alcoholic hepatitis. We show that bacteriophages can specifically target cytolytic E. faecalis, which provides a method for precisely editing the intestinal microbiota. A clinical trial with a larger cohort is required to validate the relevance of our findings in humans, and to test whether this therapeutic approach is effective for patients with alcoholic hepatitis. In patients with alcoholic hepatitis, cytolysin-positive Enterococcus faecalis strains are correlated with liver disease severity and increased mortality, and in mouse models these strains can be specifically targeted by bacteriophages.

The nuclear receptors RORα and RORγt (retinoic acid receptor-related orphan receptors α and γt) are essential for the development of TH17 cells, the T-helper cells that produce interleukin-17. Two groups report the identification of RORγt inhibitors, compounds that could have potential in the treatment of autoimmune diseases. Huh et al. used a chemical screen in an insect-cell-based reporter system to identify the cardiac glycoside digoxin and various derivatives as inhibitors of the transcriptional activity of RORγt. Through this mechanism, these compounds block the differentiation of TH17 cells in mice, and inhibit interleukin-17 production in vitro in human T cells. Solt et al. describe a synthetic ligand, named SR1001, that functions as an inverse agonist for RORα and RORγt, and show that it blocks TH17 development in vitro and inhibits experimental encephalomyelitis in mice. CD4+ T helper lymphocytes that express interleukin-17 (TH17 cells) have critical roles in mouse models of autoimmunity, and there is mounting evidence that they also influence inflammatory processes in humans. Genome-wide association studies in humans have linked genes involved in TH17 cell differentiation and function with susceptibility to Crohn’s disease, rheumatoid arthritis and psoriasis1,2,3. Thus, the pathway towards differentiation of TH17 cells and, perhaps, of related innate lymphoid cells with similar effector functions4,5, is an attractive target for therapeutic applications. Mouse and human TH17 cells are distinguished by expression of the retinoic acid receptor-related orphan nuclear receptor RORγt, which is required for induction of IL-17 transcription and for the manifestation of TH17-dependent autoimmune disease in mice6. By performing a chemical screen with an insect cell-based reporter system, we identified the cardiac glycoside digoxin as a specific inhibitor of RORγt transcriptional activity. Digoxin inhibited murine TH17 cell differentiation without affecting differentiation of other T cell lineages and was effective in delaying the onset and reducing the severity of autoimmune disease in mice. At high concentrations, digoxin is toxic for human cells, but non-toxic synthetic derivatives 20,22-dihydrodigoxin-21,23-diol and digoxin-21-salicylidene specifically inhibited induction of IL-17 in human CD4+ T cells. Using these small-molecule compounds, we demonstrate that RORγt is important for the maintenance of IL-17 expression in mouse and human effector T cells. These data indicate that derivatives of digoxin can be used as chemical templates for the development of RORγt-targeted therapeutic agents that attenuate inflammatory lymphocyte function and autoimmune disease.

Relative to the atmosphere, much of the aerobic ocean is supersaturated with methane; however, the source of this important greenhouse gas remains enigmatic. Catabolism of methylphosphonic acid by phosphorus-starved marine microbes, with concomitant release of methane, has been suggested to explain this phenomenon, yet methylphosphonate is not a known natural product, nor has it been detected in natural systems. Further, its synthesis from known natural products would require unknown biochemistry. Here we show that the marine archaeon Nitrosopumilus maritimus encodes a pathway for methylphosphonate biosynthesis and that it produces cell-associated methylphosphonate esters. The abundance of a key gene in this pathway in metagenomic data sets suggests that methylphosphonate biosynthesis is relatively common in marine microbes, providing a plausible explanation for the methane paradox.

Our understanding of secondary metabolite production in bacteria has been shaped primarily by studies of attached varieties such as symbionts, pathogens, and soil bacteria. Here we show that a strain of the single-celled, planktonic marine cyanobacterium Prochlorococcus —which conducts a sizable fraction of photosynthesis in the oceans—produces many cyclic, lanthionine-containing peptides (lantipeptides). Remarkably, in Prochlorococcus MIT9313 a single promiscuous enzyme transforms up to 29 different linear ribosomally synthesized peptides into a library of polycyclic, conformationally constrained products with highly diverse ring topologies. Genes encoding this system are found in variable abundances across the oceans—with a hot spot in a Galapagos hypersaline lagoon—suggesting they play a habitat- and/or community-specific role. The extraordinarily efficient pathway for generating structural diversity enables these cyanobacteria to produce as many secondary metabolites as model antibiotic-producing bacteria, but with much smaller genomes.

Significance The discovery of natural products, an important source of human medicines, is critical for the development of new therapeutics against health threats, including cancer and multidrug-resistant pathogens. Yet, in recent years, industrial development of pharmaceuticals from natural products has been stymied due to a variety of reasons, including the repeated discovery of previously known compounds. Here, we demonstrate large-scale genomics as one potential solution to this problem by mining a collection of 10,000 actinomycetes for novel phosphonic acids, an important class of natural products with antimicrobial, antiviral, antimalarial, and herbicidal activities. The framework described here provides a foundation for rapid, large-scale discovery of other classes of natural products and their use as lead compounds in the pharmaceutical industry.

Abstract A subset of nonribosomal peptide synthetases (NRPSs) and polyketide synthases (PKSs) are encoded in their biosynthetic gene clusters (BGCs) with enzymes annotated as lantibiotic dehydratases. The functions of these putative lantibiotic dehydratases remain unknown. Here, we characterize an NRPS-PKS BGC with a putative lantibiotic dehydratase from the bacterium Stackebrandtia nassauensis ( sna ). Heterologous expression revealed several metabolites produced by the BGC, and the omission of selected biosynthetic enzymes revealed the biosynthetic sequence towards these compounds. The putative lantibiotic dehydratase catalyzes peptide bond formation that extends the peptide scaffold opposite to the NRPS and PKS biosynthetic direction. The condensation domain of the NRPS catalyzes the formation of a ureido group, and bioinformatics analysis revealed distinct active site residues of ureido-generating condensation (UreaC) domains. This work demonstrates that the annotated lantibiotic dehydratase serves as a separate amide bond-forming machinery in addition to the NRPS, and that the lantibiotic dehydratase enzyme family possesses diverse catalytic activities in the biosynthesis of both ribosomal and non-ribosomal natural products.

The intestinal microbiota is composed of hundreds of distinct microbial species that interact with each other and their mammalian host. Antibiotic exposure dramatically impacts microbiota compositions and leads to acquisition of antibiotic-resistance genes. Lantibiotics are ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides produced by some bacterial strains to inhibit the growth of competing bacteria. Nisin A is a lantibiotic produced by Lactococcus lactis that is commonly added to food products to reduce contamination with Gram-positive pathogens. Little is known, however, about lantibiotic-resistance of commensal bacteria inhabiting the human intestine. Herein, we demonstrate that Nisin A administration to mice alters fecal microbiome compositions and the concentration of taurine-conjugated primary bile acids. Lantibiotic Resistance System genes (LRS) are encoded by lantibiotic-producing bacterial strains but, we show, are also prevalent in microbiomes across human cohorts spanning vastly different lifestyles and 5 continents. Bacterial strains encoding LRS have enhanced in vivo fitness upon dietary exposure to Nisin A but reduced fitness in the absence of lantibiotic pressure. Differential binding of host derived, secreted IgA contributes to fitness discordance between bacterial strains encoding or lacking LRS. Although LRS are associated with mobile genetic elements, sequence comparisons of LRS encoded by distinct bacterial species suggest they have been long-term components of their respective genomes. Our study reveals the prevalence, abundance and physiologic significance of an underappreciated subset of antimicrobial resistance genes encoded by commensal bacterial species constituting the human gut microbiome, and provides insights that will guide development of microbiome augmenting strategies.

Cyclotides and lanthipeptides are cyclic peptide natural products with promising bioengineering potential. No peptides have been isolated that contain both structural motifs defining these two families, an N-to-C cyclised backbone and lanthionine linkages. We combined their biosynthetic machineries to produce hybrid structures that possess improved activity or stability, demonstrate how the AEP-1 plant cyclase can be utilised to complete the maturation of the sactipeptide subtilosin A, and present head-to-tail cyclisation of the glycocin sublancin. These studies show the plasticity of AEP-1 and its utilisation alongside other post-translational modifications.