Plant natural product glycosyl- and methyltransferases

Abstract

Die immense Fülle sekundärer Pflanzenstoffe wird maßgeblich durch Glykosidierungen und Methylierungen unterschiedlicher Naturstoffe hervorgerufen. Ausgehend von zwei Modellpflanzen, Dorotheanthus bellidiformis (Mittagsblume) und Mesembryanthemum crystallinum (Eispflanze) wurde die Akkumulation von Betacyanen, chromogene Substanzen, die in den Caryophyllales die Anthocyane als Blüten und Blattfarbstoffe ersetzt haben, untersucht. An ihrer Biosynthese beteiligte, modifizierende Glukosyl- und Methyltransferasen wurden gereinigt, charakterisiert, kloniert und heterolog exprimiert. Dabei zeigten sowohl die Glukosyl- als auch die untersuchten Methyltransferasen eine breite Substratspezifität gepaart mit einer hohen Positionsspezifität. Die Aminosäuresequenzen beider Enzymgruppen lassen aufgrund von Sequenzvergleichen vornehmlich Rückschlüsse auf die Positionsspezifiät und weniger auf die Substratspezifität zu. Die Sequenzvergleiche lassen vermuten, dass sich glukosidierende Enzyme in der Betacyanbiosynthese mehrfach und unabhängig voneinander aus entsprechenden Vertretern der Anthocyan- und Flavonoidbiosynthese entwickelt haben. Bei den untersuchten Glukosyltransferasen wurde durch gezielte Mutagenese und mittels Computer-gestützter Homologie-Modelle, basierend auf der Kristallstruktur eines bakteriellen Glukosyltransferase, ein erstes 3D- Modell dieses Enzymtyps erstellt. Mit diesem Modell wurde die Konformationsumkehr von einem α-gebundenen Zucker in dem Zucker-Donor UDP-glucose zu einer β-Konfiguration in den glukosidierten Sekundärmetaboliten plausibel erklärt. Ausgehend von der Kristallisation homogen gereinigtem Proteins konnte für ein Mitglied eine neuen Klasse promiskuitiver Kationen-abhängiger O-methyltransferasen eine 3D-Struktur ermittelt werden.

Glycosylation and methylation significantly contribute to the large diversity of natural products. This project was initiated to understand and characterize the accumulation of a unique class of glycosylated plant compounds, the chromogenic betacyanins, which have replaced the anthocyanins as fruit and flower pigments in the majority of the Caryophyllales. Two model plants, Dorotheanthus bellidiformis (livingstone daisy) and the halophyte Mesembryanthemum crystallinum (ice plant) were chosen due to their unique features of betacyanin accumulation in cell cultures and epidermal bladder cells, respectively. Position specific glucosyl- and cation-dependent methyltransferases involved in the accumulation of betacyanins and flavonoids were identified, the corresponding genes were cloned and the respective recombinant enzymes characterized. Substrate specificity and sequence alignments provided evidence that betacyanin biosynthesis developed after flavonoid biosynthesis was already established. Identification of a novel subset of promiscuous cation-dependent O-methyltransferases contradicts the current perception of their caffeoyl coenzyme A specific role in lignin monomer biosynthesis. A combination of sequence similarity search, site-directed mutagenesis, and computer-assisted molecular modelling resolved the first 3-D structure and a plausible reaction mechanism to explain the inversion of configuration of the attached sugar from α-linked in the donor UDP-glucose to a β-linkage in the glucosylated plant natural product. Based on crystallisation of homogenously purified protein the first 3D-structure from a member of the promiscuous cation-dependent O-methyltransferases could be established.