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(Last
modification: 14. March
2009)
Vier Kondensationsreaktionen:
Pentaketid-Chromon-Synthase (PCS)
(Abe
et al., 2005;
Morita
et al., 2006; Morita et al.,
2007)
Die cDNA für diese Protein wurde aus
Aloe arborescens
(Tintenfisch-Aloe) kloniert. Das
Protein ist etwa 50-60% identisch mit typischen CHSs, und 90% identisch mit
einer Oktaketid-Synthase aus der gleichen Pflanze.
Das rekombinante Enzym
synthetisierte 5,7-Dihydroxy-2-Methylchromon
(s. Schema) mit Malonyl-CoA als Substrat; dies wird als Vorstufe zu den
pharmazeutisch interessanten Furochromonen Khellin und Visnagin angesehen
(anti-asthmatische Wirkungen). Acetyl-CoA (Dekarboxylierungs-Produkt von
Malonyl-CoA) wurde auch als Substrat akzeptiert, aber nicht so gut wie von der
Aloeson-Synthase (eine Heptaketid-Synthase) aus Rheum palmatum.
Erstaunlich war eine
andere Eigenschaft des rekombinanten Enzyms: Eine sehr
breite
Substrat-Akzeptanz. Es akzeptierte auch aromatische CoA-Ester (z.B. 4-Coumaroyl-CoA,
Cinnamoyl-CoA, und Benzoyl-CoA), und ebenfalls CoA-Ester von lang-kettigen
aliphatischen Fettsäuren (z.B. Hexanoyl-CoA, Octanoyl-CoA, Decanoyl-CoA, Dodecanoyl-CoA, Tetradecanoyl-CoA,
Hexadecanoyl-CoA, Octadecanoyl-CoA, und Eicosanoyl-CoA) und führte mit
Malonyl-CoA zwei und drei Kondensations-Reaktionen durch, zu Triketid- und
Tetraketid-Pyronen. Mit 4-Coumaroyl-CoA, dem Prototyp-Substrat von Chalcon-
(CHS) und Stilben- (STS) Synthasen, sind die Nebenprodukte nach zwei
Kondensationen (Bisnoryangonin)
und drei Kondensationen (CTAL)
wohlbekannt. Eine ganz ähnlich breite Substrat-Toleranz wurde auch für die
Oktaketid-Synthase aus der gleichen Pflanze beschrieben.
Wenn man darüber nachdenkt, ist das wirklich
erstaunlich: Warum sollte ein Enzym mit Malonyl-CoA als
physiologischem Substrat (vermutlich!) dazu fähig sein, mit solch riesigen
Starter-Substraten zu funktionieren, vor allem da das physiologische
Substrat auch immer in allen Ansätzen vorhanden ist: Schliesslich wird es
als Ketten-Verlängerer immer benötigt?
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Zitate
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Morita, H., Kondo, S., Oguro, S., Noguchi, H.,
Sugio, S., Abe, I., Kohno, T., 2007. Structural insight into chain-length
control and product specificity of pentaketide chromone synthase from
Aloe arborescens. Chemistry & Biology 14, 359-369.
The crystal
structures of a wild-type and a mutant PCS, a novel plant type III
polyketide synthase from a medicinal plant, Aloe arborescens, were
solved at 1.6 A resolution. The crystal structures revealed that the
pentaketide-producing wild-type and the octaketide-producing M207G mutant
shared almost the same overall folding, and that the large-to-small
substitution dramatically increases the volume of the polyketide-elongation
tunnel by opening a gate to two hidden pockets behind the active site of the
enzyme. The chemically inert active site residue 207 thus controls the
number of condensations of malonyl-CoA, solely depending on the steric bulk
of the side chain. These findings not only provided insight into the
polyketide formation reaction, but they also suggested strategies for the
engineered biosynthesis of polyketides.
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-
Abe,
I., Utsumi, Y., Oguro, S., Morita, H., Sano, Y., Noguchi, H., 2005. A plant
type III polyketide synthase that produces pentaketide chromone. Journal of
the American Chemical Society 127, 1362-1363.
Here we report a novel plant-specific type III PKS that catalyzes formation
of a pentaketide chromone, 5,7-dihydroxy-2-methylchromone, from five
molecules of malonyl-CoA. Remarkably, replacement of a single amino acid
residue Met207 (corresponding to the Medicago sativa CHS active site
residue Thr197) yielded a mutant enzyme that efficiently produces aromatic
octaketides, SEK4 and SEK4b, the products of the minimal PKS for the
benzoisochromanequinone actinorhodin (act from Streptomyces
coelicolor) (Scheme 1C). A cDNA encoding the pentaketide chromone
synthase (PCS) (the GenBankTM accession no. AY823626) was cloned and
sequenced from young roots of aloe (Aloe arborescens), a medicinal
plant rich in aromatic polyketides including chromones and anthraquinones,
by RT-PCR using degenerate primers based on the conserved sequences of known
CHSs as described before. A 1,212-bp open reading frame encoded a Mr
44,568 protein with 403 amino acids. The deduced amino acid sequence showed
50-60% identity to those of CHS-superfamily enzymes from other plants; 58%
identity (232/403) with M. sativa CHS, and 50% identity (206/403)
with R. palmatum ALS that catalyzes formation of a heptaketide,
aloesone (2-acetonyl-7-hydroxy-5-methylchromone), from acetyl-CoA and six
molecules of malonyl-CoA. A. arborescens PCS maintains almost
identical CoA binding site and the catalytic triad of Cys164, His303, and
Asn336 (numbering in M. sativa CHS) absolutely conserved in all type
III PKSs. Furthermore, most of the active site residues including Met137,
Gly211, Gly216, Pro375, along with Phe215 and Phe265,1 are well conserved in
PCS (Fig. 1). The CHS-based homology modeling predicted that A.
arborescens PCS has the same threedimensional overall fold as M.
sativa CHS5a, with a cavity volume (1124 Å3) slightly larger than that
of CHS (1019 Å3), and almost as large as that of R. palmatum ALS
(1173 Å3).
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Morita, H., Kondo, S., Abe, T., Noguchi, H., Sugio, S., Abe, I., Kohno,
T., 2006. Crystallization and preliminary crystallographic analysis of a novel
plant type III polyketide synthase that produces pentaketide chromone. Acta
Crystallograph. Sect. F. Struct. Biol. Cryst. Commun. 62, 899-901.
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