Polyketide-related biosynthesis of the anthranoid scaffold in plants

Nassar, Sara, Amr, Hassan

doi:10.24355/dbbs.084-202207051428-0

Published

Polyketide-related biosynthesis of the anthranoid scaffold in plants

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Anthranoids are a group of natural products with a broad spectrum of applications. Many anthranoids exhibit crucial pharmaceutical uses, as exemplified by laxative anthraquinones and antitumoral hypericin. Hypericin is a potent drug in the photodynamic therapy (PDT) and diagnosis (PDD) of cancer and it contributes to the anti-depressant efficacy of pharmaceutical preparations from Hypericum perforatum. However, the continuous supply of many anthranoid drugs remains challenging due to their low yield in plants, difficult extraction, and complicated chemical synthesis. The core of the anthranoid scaffold is biosynthesized in plants via the polyketide pathway which is not fully clarified. For these reasons, elucidation of anthranoid biosynthesis is a demand.

Cassia bicapsularis, which is rich in anthranoids, provided a model system for the present studies. A comparative transcriptomic analysis between non-elicited and yeast-extract-elicited C. bicapsularis cell cultures was performed. An octaketide-producing type III polyketide synthase from C. bicapsularis (CbOKS) was successfully identified and functionally characterized. Subcellular localization of reporter fusions revealed the presence of CbOKS in the cytosol. Another octaketide-producing type III polyketide synthase cloned from Polygonum cuspidatum, likewise an anthranoid-rich plant, was also functionally characterized. Assay-guided fractionation of C. bicapsularis crude protein extract suggested the contribution of a tailoring factor/enzyme to the biosynthesis of the anthranoid scaffold. However, the subsequent proteomic analysis was not specific enough to identify a putative polyketide cyclase. Additionally, the endogenous cyclization capability of Nicotiana benthamiana leaves as plant-based heterologous expression system was insufficient to support the correct cyclization of the linear octaketide intermediate upon transient expression of the OKSs. Moreover, a group of putative polyketide cyclases from C. bicapsularis and H. perforatum were identified using combined bioinformatic analyses. The interaction of polyketide synthase and polyketide cyclase may lead to the formation of the anthranoid scaffold, thereby paving the way for heterologous production of anthranoid drugs, including hypericin.

Anthranoide sind eine Gruppe von Naturstoffen mit einem breiten Anwendungsspektrum. Viele Anthranoide zeigen bedeutende pharmazeutische Anwendungen wie beispielsweise abführende Anthrachinone und antitumorales Hypericin. Das Hypericin ist ein effizienter Wirkstoff in der photodynamischen Therapie (PDT) und Diagnose (PDD) von Krebs und trägt auch zur antidepressiven Wirksamkeit von pharmazeutischen Präparaten aus Hypericum perforatum bei. Die kontinuierliche Bereitstellung vieler Anthranoid-Wirkstoffe bleibt jedoch aufgrund ihrer geringen Ausbeute in Pflanzen, der schwierigen Extraktion und der komplizierten chemischen Synthese eine Herausforderung. Der Kern des Anthranoid Gerüsts wird in Pflanzen über den noch nicht vollständig geklärten Polyketidweg aufgebaut. Aus diesen Gründen ist die Aufklärung der Anthranoid Biosynthese von großer Bedeutung.

Als Modellsystem für die vorliegenden Untersuchungen diente die anthranoidreiche Pflanze Cassia bicapsularis. Es wurde eine vergleichende transkriptomische Analyse zwischen nicht-behandelten und Hefeextrakt-behandelten Zellkulturen von C. bicapsularis durchgeführt. Eine Octaketid-produzierende Polyketid-Synthase vom Typ III aus C. bicapsularis (CbOKS) wurde erfolgreich identifiziert und funktionell charakterisiert. Die subzelluläre Lokalisation von Reporterfusionen zeigte das Vorkommen von CbOKS im Zytosol. Eine weitere Octaketid-produzierende Typ-III-Polyketid-Synthase, die aus der ebenfalls anthranoidreichen Pflanze Polygonum cuspidatum, kloniert wurde, erfuhr gleichfalls eine funktionelle Charakterisierung. Eine Enzymtest-gesteuerte Fraktionierung von C. bicapsularis-Rohproteinextrakt deutete auf den Beitrag eines Hilfsfaktors/Enzyms in der Anthranoid-Gerüstbiosynthese hin. Die anschließende proteomische Analyse war jedoch nicht spezifisch genug, um eine mutmaßliche Polyketid Zyklase zu identifizieren. Außerdem war die endogene Zyklisierungsfähigkeit von Nicotiana benthamiana-Blättern als ein pflanzenbasiertes heterologes Expressionssystem nicht ausreichend, um die korrekte Zyklisierung des linearen Octaketid-Zwischenprodukts bei vorübergehender Expression der OKS-Enzyme zu unterstützen. Darüber hinaus wurde eine Gruppe mutmaßlicher Polyketid Zyklasen aus C. bicapsularis und H. perforatum mittels kombinierter bioinformatischer Analysen identifiziert. Die Wechselwirkung zwischen Polyketid-Synthase und Polyketid-Zyklase könnte zur Bildung des Anthranoid-Gerüsts führen und damit den Weg für eine heterologe Produktion von Anthranoid-Wirkstoffen einschließlich Hypericin ebnen.