Unraveling the Biosynthesis of Phenylphenalenones: Insights from Metabolites and Enzymes in  Musella lasiocarpa (Musaceae)

Lyu, Hui

doi:10.24355/dbbs.084-202501141222-0

Thesis Tue Jan 14 2025 CC BY 4.0

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Unraveling the Biosynthesis of Phenylphenalenones : Insights from Metabolites and Enzymes in Musella lasiocarpa (Musaceae)

Lyu, Hui

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German

Phenylphenalenones (PPs) are complex polycyclic natural products that play an important role in the chemical defense system of banana and plantain (Musaceae). Although suggestions for how plants synthesize the PP scaffold were first proposed more than 50 years ago, most of the intermediates of PP biosynthesis are still unknown and none of the genes involved in the pathway have been identified.

In this work, we investigated the major secondary metabolites of developing seeds of Musella lasiocarpa (Musaceae) to determine if this species might be a good model system to study the biosynthesis of PPs. We found that PPs are major components of M. lasiocarpa seeds at middle and late developmental stages. Two previously undescribed PP dimers and a group of unreported linear diarylheptanoid (DH) derivatives named musellins A–F were isolated along with 14 known compounds. Musellin D and musellin F contain the first reported furo[3,2-c]pyran ring and represent a previously undescribed carbon skeleton. The chemical structures of all new compounds were characterized by spectroscopic data, including NMR, HRESIMS, and ECD analysis.

Furthermore, we used transcriptomic data from M. lasiocarpa seeds to identify five biosynthetic genes involved in the formation of dihydrocurcuminoids. Characterization of the substrate specificities of the enzymes revealed two distinct dihydrocurcuminoid pathways leading to the two types of major aromatic seed metabolites, the PPs and the linear DH derivatives. Furthermore, through multiple rounds of feeding potential intermediates to M. lasiocarpa root protein extract, followed by HRMS profiling, product isolation, and NMR-based elucidation, we demonstrated the stepwise conversion of a dihydrocurcumin-type precursor to the PP 4' hydroxylachnanthocarpone. In contrast to the commonly hypothesized Diels–Alder cyclization mechanism, we propose an unexpected two-step cyclization route to the PP scaffold.

Phenylphenalenone (PPs) sind komplexe polyzyklische Naturstoffe, die eine wichtige Rolle im chemischen Abwehrsystem von Bananen und Wegerich (Musaceae) spielen. Obwohl bereits vor mehr als 50 Jahren Vorschläge gemacht wurden, wie Pflanzen das PP-Grundgerüst synthetisieren, sind die meisten Zwischenprodukte der PP-Biosynthese noch immer unbekannt und keines der an dem Stoffwechselweg beteiligten Gene wurde identifiziert.

In dieser Arbeit haben wir die wichtigsten Sekundärmetaboliten der sich entwickelnden Samen von Musella lasiocarpa (Musaceae) untersucht, um festzustellen, ob diese Art ein gutes Modellsystem für die Untersuchung der Biosynthese von PPs sein könnte. Wir fanden heraus, dass PPs die Hauptbestandteile der Samen von M. lasiocarpa in mittleren und späten Entwicklungsstadien sind. Zwei bisher unbeschriebene PP-Dimere und eine Gruppe bisher nicht beschriebener linearer Diarylheptanoid (DH)-Derivate, die Muselline A–F, wurden zusammen mit 14 bekannten Verbindungen isoliert. Musellin D und Musellin F enthalten den ersten berichteten Furo[3,2-c]pyranring und repräsentieren ein bisher unbeschriebenes Kohlenstoffgerüst. Die chemischen Strukturen aller neuen Verbindungen wurden durch spektroskopische Daten charakterisiert, einschließlich NMR, HRESIMS und ECD-Analyse.

Darüber hinaus nutzen wir transkriptomische Daten aus M. lasiocarpa-Samen, um fünf Biosynthesegene zu identifizieren, die an der Bildung von Dihydrocurcuminoiden beteiligt sind. Die Charakterisierung der Substratspezifität der Enzyme zeigt zwei unterschiedliche Dihydrocurcuminoid-Pfade, die zu den beiden Arten der wichtigsten aromatischen Samenmetaboliten, den PPs und den linearen DH-Derivaten, führen. Durch mehrfache Fütterung potenzieller Zwischenprodukte mit M. lasiocarpa-Wurzelproteinextrakt, gefolgt von HRMS-Profilierung, Produktisolierung und NMR-basierter Aufklärung, zeigen wir die schrittweise Umwandlung eines dihydrocurcuminartigen Vorläufers in das PP 4'-Hydroxylachnanthocarpon. Im Gegensatz zu dem üblicherweise angenommenen Diels–Alder-Zyklisierungsmechanismus schlagen wir einen unerwarteten zweistufigen Zyklisierungsweg zum PP-Gerüst vor.