Piperine biosynthesis in black pepper (Piper nigrum L.)

Abstract

Die Biosynthese des Piperins (1-Piperolpiperidin), ein Alkaloid essentiell für die charakteristische Schärfe des Pfeffers (Piper nigrum), war über Jahrzehnte ungeklärt. In dieser Arbeit wurden wichtige Enzyme der Biosynthese mittels RNA-Sequenzierung und differentieller Genexpressionsanalyse identifiziert. Dabei wurden die Transkripte von Piperin-haltigen Geweben (verschiedene Fruchtstadien) mit Piperin-freien Geweben (Blätter und blühende Ähren) verglichen. Frucht-spezifische Transkripte wurden ausgewählt, resultierende Proteine exprimiert sowie charakterisiert und somit essentielle Schritte der Piperinbiosynthese aufgeklärt. Ein Cytochrom P450 Enzym katalysierte hierbei die Methylendioxy-Brücke auf Stufe der Feruperinsäure. Die gebildete Piperinsäure wurde anschließend von einer spezifischen CoA-Ligase in Piperoyl-CoA aktiviert. Im finale Schritt der Piperinsynthese wurde Piperoyl-CoA und das Amin Piperidin durch die Piperinsynthase, eine BAHD-Acyltransferase, in Piperin umgesetzt.

The biosynthesis of piperine (1-piperol piperidine), the pungent principle of black pepper fruits, was unknown over decades. In this thesis enzymes involved in the final and unique steps of piperine biosynthesis were elucidated in a RNA sequencing approach comparing different fruit stages (piperine) with leaves and flowering spadices (non piperine). Highly fruit-specific transcripts were chosen. The resulting candidate proteins were expressed and functional characterized. A cytochrome P450 enzyme catalyses the methylenedioxy bridge formation in the case of feruperic acid to piperic acid and was classified as CYP719A37. A p-coumarate CoA ligase-like enzyme, the piperoyl-CoA ligase, activates piperic acid. In a final step a BAHD-acyltransferase, the piperine synthase, catalyses the piperine formation from piperoyl-CoA and piperidine. By these findings the piperine biosynthesis was finally unravelled and published.