Charakterisierung und Kristallisierung der Biphenylsynthase I von Sorbus aucuparia

Raeth, Torben

doi:10.24355/dbbs.084-200804150200-0

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Charakterisierung und Kristallisierung der Biphenylsynthase I von Sorbus aucuparia

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Biphenyle und Dibenzofurane sind die Phytoalexine der Maloideae, einer Unterfamilie der im Obst- und Gartenbau bedeutenden Rosengewächse. Die Biosynthese der Kohlenstoffgrundgerüste dieser beiden antimikrobiellen Substanzklassen aus dem Sekundärstoffwechsel wird durch die Biphenylsynthase I (BIS I), eine neue Typ III-Polyketidsynthase (PKS) katalysiert. Das Enzym bildet durch schrittweise Kondensation von einem Molekül Benzoyl-CoA mit drei Molekülen Malonyl-CoA ein lineares Tetraketidintermediat, welches durch eine anschließende intramolekulare Aldol-Kondensation sowie eine Decarboxylierung in das Endprodukt, das 3,5-Dihydroxybiphenyl überführt wird. Die bekannteste Typ III-PKS ist die ubiquitäre Chalkonsynthase (CHS), aus der durch Genduplizierung und nachfolgende Mutationen die anderen Typ III-PKS hervorgegangen sind. Auch die CHS katalysiert die sich wiederholende Kondensation eines Coenzym A-aktivierten Startersubstrates, p-Cumaroyl-CoA, mit drei Molekülen Malonyl-CoA zu einem linearen Tetraketid. Im Unterschied zur BIS I katalysiert die Chalkonsynthase den Ringschluss über eine intramolekulare Claisen-Kondensation zum 4,2?,4?,6?-Tetrahydroxychalkon, das von weiterführenden Enzymen als Vorstufe für die Synthese der verschiedenen Flavonoide genutzt wird. Die BIS I konnte in Hefeextrakt-behandelten Zellkulturen von Sorbus aucuparia detektiert und ihre cDNA kloniert werden. Ein Vergleich der Aminosäurensequenzen der BIS I und der CHS zeigte eine Homologie von ca. 60 %. BIS I wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Stubbs in Halle kristallisiert und seine Struktur ermittelt. Die Aufklärung des Reaktionsmechanismus ist in Arbeit. Die Charakterisierung und die Strukturaufklärung werden dazu beitragen, die funktionellen Unterschiede und die evolutionären Zusammenhänge der verschiedenen Typ III-PKS besser zu verstehen.

Biphenyls and dibenzofurans are the phytoalexins of Maloideae, a subfamily of the horticulturally significant Rosaceae. The biosynthesis of the carbon skeletons of the two classes of antimicrobial secondary metabolites is catalyzed by a novel type III polyketide synthase (PKS), named biphenyl synthase I (BIS I). The enzyme catalyzes the iterative condensation of the preferred starter substrate benzoyl-CoA with three molecules of malonyl- CoA to give a linear tetraketide. This intermediate then undergoes an intramolecular cyclization via aldol condensation to yield 3,5-dihydroxybiphenyl. The most common type III PKS is the ubiquitous chalcone synthase (CHS) from which all type III PKSs evolved by gene duplication and subsequent mutations. Like BIS I, CHS catalyzes the iterative condensation of a coenzyme A-linked starter substrate, p-coumaroyl-CoA, with three units of malonyl-CoA to give a linear tetraketide intermediate. In contrast to BIS I, CHS catalyzes cyclization by intramolecular Claisen condensation to give 4,2?,4?,6?-tetrahydroxychalcone, which is used by downstream enzymes as a starter substrate to form the diverse flavonoids. BIS I was detected in yeast-extract-treated cell cultures from Sorbus aucuparia and its cDNA was cloned. The comparison of the amino acid sequences of BIS I and CHS showed a homology of nearly 60 %. BIS I was crystallized in cooperation with the Stubbs group in Halle and its structure was determined. Elucidation of its reaction mechanism is in progress. Characterization and structure determination contribute to the understanding of the functional differences and the evolutionary relationships between type III PKSs.