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(Last
modification: 20. Feb. 2009: Abbildungen, kleinere
Änderungen im Text)
MPBD (4-Methyl-5-pentylbenzene-1,3-diol)
Biosynthese in Dictyostelium
discoideum
Im Lebenszyklus der Amöbe Dictyostelium discoideum triggert Hunger einen
komplizierten Differenzierungsprozess; in ihm aggregieren bis zu 100.000 Zellen
zu einer multizellulären Masse, die in Richtung Licht und Wärme wandert.
Differenzierungs-induzierende Faktoren (DIFs) spielen in diesem Prozess wichtige
Rollen. Die Strukturen vieler Moleküle wurden aufgeklärt (Morris
et al., 1987;
Morris et al., 1988; Kay et al., 1988;
Traynor and Kay, 1991;
Kay et al., 1993;
Takaya
et al., 2000; Maeda et al., 2003;
Arai et al., 2005;
Serafimidis and Kay, 2005;
Saito et al., 2006). Die Strukturen
von DIF-1 und anderer vermutlich über PKS-Reaktionen gebildete Signalmoleküle
sind in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 1.
Morphogenetische Faktoren in
Dictyostelium discoideum, bei deren Biosynthese eine Polyketidsynthase
vermutet wurde.
Für DIF-1 wurde bald vorgeschlagen, dass die Schlüsselreaktion der Biosynthese
eine Polyketidsynthase (PKS) sein sollte (Kay, 1998),
ein Enzym, welches funktionell gerade so wie eine Chalconsynthase (CHS)
arbeitete, aber mit Hexanoyl-CoA anstelle von 4-Coumaroyl-CoA als Substrat (das
sollten Sie sich auch ansehen:
Austin et al., 2006;
mehr...). Bei MPBD
(4-Methyl-5-pentylbenzene-1,3-diol)
liess sich aus dem Hydroxylierungsmuster am aromatischen Ring vermuten, dass
eine Stilbensynthase (STS)-Typ Reaktion beteiligt sein könnte, aber ungeklärt
war der Ursprung einer Methylgruppe am aromatischen Ringsystem. Diese PKS und
ein Modell der Biosynthese wird hier diskutiert:
Diese Seite beschäftigt sich mit einer Dictyostelium discoideum Typ III
PKS, die in vivo wahrscheinlich eine ungewöhnliche Reaktion durchführt:
Zwei Kondensationsreaktionen mit einem Substrat, welches bereits eine
ß-Ketogruppe enthält, und danach eine Stilbensynthase (STS)-Typ Ringfaltung.
Schlüsselpublikation:
Ghosh et al., 2008
Diese Autoren begannen ebenfalls mit einem bioinformatischen Ansatz, mit der
Verfügbarkeit des
D. discoideum
Genomprojektes (Eichinger
et al., 2005). Sie identifizierten 45 Polyketidsynthasen des Multidomän-Typs
mit >2000 Aminosäuren, und nannten sie DiPKS1 bis DiPKS45. Darunter waren
natürlich auch die früher (Austin et al., 2006,
mehr...) identifizierten
Steely1 (=
DiPKS1) und Steely2 (= DiPKS37).
Ganz sicher wird diese duplikate Terminologie in Zukunft einige Verwirrung
stiften, wie so häufig. Auf dieser Seite werde ich deshalb beide Namen zusammen
verwenden. Wie früher berichtet, waren dies die einzigen mit einer Typ III PKS
Domäne, und der grundsätzliche Aufbau der Gene für die Polyproteine soll hier
nicht wiederholt werden.
Die Autoren führten dann funktionelle Untersuchungen durch,
nach Expression der Typ III Domänen in E. coli. Die Ergebnisse mit
DiPKS37 (Steely2) bestätigten die früheren Daten (Austin et al., 2006): Es führte eine CHS-Typ
Reaktion mit Hexanoyl-CoA durch. Das wirklich Interessante ergab sich bei DiPKS1
(Steely1): Im Gegensatz zu den früheren Ergebnissen wurde jetzt gefunden, dass
es nicht nur Pyrone synthetisierte (zwei Kondensationen, Triketid-Pyrone),
sondern auch ein Resorcinol-Typ Produkt, also:
Steely1 (DiPKS1)
führte drei Kondensationen durch, gefolgt von einer Stilbensynthase (STS)-Typ
Ringfaltung, siehe Fig. 2. Interessanterweise ist das Produkt von
Hexanoyl-CoA -> Olivetol; dies ist auch das in vitro Produkt
einer PKS-Aktivität in Rohextrakten aus Hanf (Cannabis
sativa); allerdings sollte das Produkt des Enzyms in der Biosynthese der Droge
Tetrahydrocannabinol nicht Olivetol sein, sondern die carboxylierte Form (Olivetolsäure): mehr...
Fig. 2.
Ghosh et al. (2008):
Biosynthese morphogenetischer Faktoren in Dictyostelium discoideum:
Das neue Ergebnis ist, dass DiPKS1 (Steely1) drei Kondensationen und eine
Stilbensynthase (STS) Typ Ringfaltung durchführen kann. Das Acylphloroglucinol
ist die Vorstufe zu dem Differenzierungsfaktor DIF-1:
mehr...
Definitions:
DiPKS37 = Steely2 (biosynthesis
of DIF-1): three condensations, CHS-type ring-folding;
DiPKS1 = Steely1 synthesizes two products in vitro:
5-pentylbenzene-1,3-diol (three condensations, STS-type ring-folding), and a
triketide pyrone (two condensations).
Experimente mit anderen Substraten
zeigten, dass Resorcinol-Typ Produkte nicht nur mit Hexanoyl-CoA, sondern
auch mit Octanoyl-CoA und Decanoyl-CoA erhalten wurden; längerkettige Substrate
führten jedoch nur zu Pyronen. Interessant war auch das Ergebnis mit einem
Konstrukt, welches zusätzlich zu der Typ III PKS-Domäne
auch die
davorliegende ACP-Domäne enthielt: Die Produkte waren fast ausschliesslich die
Resorcinole, ein deutlicher Hinweis, dass die Gesamtstruktur des Proteins ein
wichtiger Faktor in der Produkt-Spezifität ist.
Das war natürlich
ganz spannend, denn daraus ergaben sich Ideen für die Biosynthese von MPBD
(4-Methyl-5-Pentylbenzene-1,3-Diol), welches ein Resorcinol-Ringsystem enthält
(Fig. 1).
In der Publikation gibt es noch mehr interessante Befunde und
Diskussionen, aber hier werde ich mich nur auf das Modell konzentrieren, welches
für die Biosynthese von MPBD vorgeschlagen wird, wobei natürlich der Mechanismus
für die Einführung der Methylgruppe am aromatischen Ring besonders interessant
ist. Fig. 3 ist eine Zusammenfassung des Modells, und sie enthält auch einen
Vergleich der Reaktionen von DiPKS1 (Steely1) mit denen von DiPKS37 (Steely2) in
der Biosynthese von DIF-1.
Einige der anderen Punkte von Interesse bei diesen ungewöhnlichen
PKS wurden bereits auf einer anderen Seite besprochen, und wahrscheinlich lohnt
sich ein Blick:
Mehr...
Fig. 3.
Ghosh et al. (2008): Modelle für die Biosynthese morphogenetischer Faktoren in
Dictyostelium discoideum.
DiPKS1 (Steely1): Der Multidomän-Teil der PKS führt mit Acetyl-CoA zwei
vollständige Verlängerungs-Runden durch, mit allen Reaktionen zur
Hexanoyl-Einheit. Danach folgt eine dritte Kondensation ohne die
Reduktionsschritte, aber mit einer Methylierung auf
der ß-KetoStufe; diese Methylierungs-Domäne (MT) fehlt in DiPKS37. Dieses
Intermediat wird dann an die Typ III PKS Domäne
übergeben, die zwei zusätzliche Kondensationen durchführt, gefolgt von einer
STS-Typ Ringfaltung zu MPBD (4-Methyl-5-Pentylbenzene-1,3-Diol).
DiPKS37 (Steely2): Dies ist so wie früher vorgeschlagen (Austin et al.,
2006). In diesem Fall wird die Hexanoyl-Einheit direkt auf die
Typ III PKS Domäne übertragen; diese führt drei
Kondensationsreaktionen durch, gefolgt von einer CHS-Typ Ringfaltung. Weitere
Reaktionen (Halogenase, O-Methylierung) führen zu
DIF-1.
Abkürzungen: KS, ß-Ketoacylsynthase; AT, Acyltransferase; DH,
Dehydratase; MT, Methyltransferase; ER, Enoylreductase; KR, Ketoreductase; ACP,
Acylcarrierprotein; Typ III PKS, CHS-verwandtes
Protein.
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Zitate
-
Austin, M. B., Saito, T., Bowman, M. E., Haydock,
S., Kato, A., Moore, B. S., Kay, R. R., Noel, J. P., 2006. Biosynthesis of
Dictyostelium discoideum differentiation-inducing factor by a hybrid
type I fatty acid-type III polyketide synthase. Nature Chemical Biology 2,
494-502.
Differentiation-inducing factors (DIFs) are well known to modulate
formation of distinct communal cell types from identical Dictyostelium
discoideum amoebas, but DIF biosynthesis remains obscure. We report
complimentary in vivo and in vitro experiments identifying
one of two approximately 3,000-residue D. discoideum proteins,
termed 'steely', as responsible for biosynthesis of the DIF
acylphloroglucinol scaffold. Steely proteins possess six catalytic domains
homologous to metazoan type I fatty acid synthases (FASs) but feature an
iterative type III polyketide synthase (PKS) in place of the expected FAS
C-terminal thioesterase used to off load fatty acid products. This new
domain arrangement likely facilitates covalent transfer of steely
N-terminal acyl products directly to the C-terminal type III PKS active
sites, which catalyze both iterative polyketide extension and cyclization.
The crystal structure of a steely1 C-terminal domain confirms conservation
of the homodimeric type III PKS fold. These findings suggest new
bioengineering strategies for expanding the scope of fatty acid and
polyketide biosynthesis.
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Mehr...
-
Ghosh, R., Chhabra, A., Phatale, P. A., Samrat, S.
K., Sharma, J., Gosain, A., Mohanty, D., Saran, S., Gokhale, R. S., 2008.
Dissecting the functional role of polyketide synthases in Dictyostelium
discoideum: biosynthesis of the differentiation regulating factor
4-methyl-5-pentylbenzene-1,3-diol.
Journal of Biological Chemistry 283, 11348-11354.
Dictyostelium discoideum exhibits the largest repository
of polyketide synthase (PKS) proteins of all known genomes. However, the
functional relevance of these proteins in the biology of this organism
remains largely obscure. On the basis of computational, biochemical, and
gene expression studies, we propose that the multifunctional Dictyostelium
PKS (DiPKS) protein DiPKS1 could be involved in the biosynthesis of the
differentiation regulating factor 4-methyl-5-pentylbenzene-1,3-diol (MPBD).
Our cell-free reconstitution studies of a novel acyl carrier protein Type
III PKS didomain from DiPKS1 revealed a crucial role of protein-protein
interactions in determining the final biosynthetic product. Whereas the
Type III PKS domain by itself primarily produces acyl pyrones, the presence
of the interacting acyl carrier protein domain modulates the catalytic
activity to produce the alkyl resorcinol scaffold of MPBD. Furthermore, we
have characterized an O-methyltransferase (OMT12) from Dictyostelium
with the capability to modify this resorcinol ring to synthesize a variant
of MPBD. We propose that such a modification in vivo could in fact
provide subtle variations in biological function and specificity. In
addition, we have performed systematic computational analysis of 45
multidomain PKSs, which revealed several unique features in DiPKS proteins.
Our studies provide a new perspective in understanding mechanisms by which
metabolic diversity could be generated by combining existing functional
scaffolds.
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Eichinger, L., Pachebat, J. A., Glockner, G.,
Rajandream, M. A., Sucgang, R., Berriman, M., Song, J., Olsen, R.,
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