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(Last
modification: 12. Nov. 2008)
Vorschlag: Hyperforin-Biosynthese
in Hypericum perforatum
Übersichtsartikel:
Beerhues, 2006
Hypericum perforatum
(St. John's Wort; Echtes Johanniskraut) wird in vielen Ländern als lästiges
Unkraut betrachtet, aber seine medizinischen Anwendungen gehen zurück bis ins
alte Griechenland. In der modernen Medizin werden standardisierte Hypericum
Extrakte häufig in der Behandlung von milden Depressionen verwendet, und bei
Angstzuständen (Butterweck,
2003), und in manchen Ländern (z.B. Deutschland) häufiger als synthetische
Substanzen. Sicherlich sollte man nicht ignorieren, dass die Einnahme
unerwartete Nebeneffekte hervorrufen kann, durch Beeinflussung des
Stoffwechsels (Abbaus) oder der Aktivität anderer Medikamente (Müller,
2003; Watkins et al., 2003).
Eine Hauptwirkung ist vermutlich, dass die Hyperforine die Cytochrom P450
Aktivitäten beeinflussen, die Medikamente abbauen (Zou
et al., 2002; Lee et al., 2006).
Hypericin wird in der Haut abgelagert und kann zu starker Lichtempfindlichkeit
führen (Sonnenbrand bereits nach kurzer Sonneneinstrahlung).
Übersichten kann man in den Wikipedia Seiten über Hypericum perforatum
finden:
Englisch:
St_John's wort;
Deutsch:
Echtes Johanniskraut
Die Hauptkompenenten der Extrakte sind
(mit Links zu Wikipedia Seiten)
Die Grundgerüste von beiden leiten sich von Polyketiden ab.
Hypericin
wird gesondert besprochen, da in diesem Falle eine Oktaketid-Synthase
in der Biosynthese postuliert wird.
Diese Seite hier konzentriert sich auf die
Biosynthese von Hyperforin, denn seine Biosynthese sollte durch eine CHS-Typ PKS
Reaktion erfolgen, mit Isobutyryl-CoA als Starter-Substrat ( s. Zeichnung
unten).
Es wird angenommen, dass Hyperforin das
wichtigste aktive Prinzip im Antidepressions-Effekt ist (Di
Carlo et al., 2001; Butterweck, 2003). Der
Wirkungsmechanismus ist ziemlich interessant: Die Substanz inhibiert in den
Synaptosomen die Aufnahme verschiedener Neurotransmitter
(Serotonin,
Noradrenalin und Dopamin) dadurch, dass sie die
intrazelluläre Natrium-Konzentration erhöht (Singer et
al., 1999), sehr wahrscheinlich über die Aktivierung nicht-selektiver
Kationen-Kanäle (Treiber
et al., 2005).
Hyperforin und sein Homolog Adhyperforin (Maisenbacher
and Kovar, 1992) sind gleich aktiv (Jensen
et al., 2001). Die höchsten Konzentrationen finden sich in den oberirdischen
Teilen der Pflanzen, besonders in Blüten und Früchten. Die Biosynthese ist noch
nicht ganz geklärt, zumindesten nicht auf der molekularen Ebene der Enzyme.
Fütterungsexperimente weisen daraufhin, dass das Phloroglucinol-Grundgerüst
(allgemeiner Name für Chalcon-Typ Ringsysteme) über eine CHS-Typ Reaktion gebildet
wird, entweder mit Isobutyryl-CoA (-> Hyperforin) oder 2-Methylbutyryl-CoA (->
Adhyperforin) als Starter-Molekül (Adam
et al., 2002; Karppinen
et al., 2007). Diese Reaktion konnte schon in Extrakten von
Hypericum calycinum Zellkulturen nachgewiesen werden, und es war auch
möglich, sie chromatographisch von zwei anderen ähnlichen Enzymaktivitäten
abzutrennen: Chalconsynthase (CHS) und Benzophenonsynthase (BPS, ebenfalls eine
CHS-Typ Reaktion, aber mit Benzoyl-CoA), die ebenfalls in den Extrakten
vorhanden waren (Klingauf
et al., 2005). Die Auftrennung war nicht optimal (sie basierte auf der
preferentiellen Verwendung der Substrate in verschiedenen Proteinfraktionen),
aber bei der bekannten Promiskuität der Typ III PKS in vitro kann von
solchen Experimenten wirklich nicht mehr erwartet werden. Die erste Prenylierungsreaktion konnte auch schon in vitro
demonstriert werden
(Boubakir et al., 2005).
Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Modell der
Biosynthese. Wenn die PKS Reaktion (hier als BUS abgekürzt =
Butyrophenon-Synthase) tatsächlich durch
ein Typ III Enzym durchgeführt wird: Dann wird es einige interessante Vergleiche
des Proteins mit anderen Typ III PKS ergeben, z.B. mit CHS, Benzophenonsynthase
(BPS), und der Valerophenonsynthase (VPS) aus dem Hopfen, für die Isobutyryl-CoA
auch ein physiologisches Substrat ist. Mehr über diese Enzyme gibt es
hier.
Tatsächlich gibt es bereits excellente Kandidaten für Typ III PKS in der
Biosynthese von Hypericin und Hyperforin: die kürzlich beschriebenen HpPKS1 und HpPKS2
cDNAs (Karppinen and Hohtola,
2008). Das Muster der
gewebespezifischen Expression lässt vermuten, dass
HpPKS1 ein Kandidat für
Hyperforin-Biosynthese ist, während HpPKS2 am besten zu den Orten der
Biosynthese von
Hypericin passt. Man darf gespannt sein, ob die anstehende funktionelle
Expression diese Vorschläge bestätigt! Die beiden Sequenzen sind im
Verwandtschaftsbaum der pflanzlichen Typ III PKS:
Mehr...
Zusatz im November 2008: Inzwischen
wurde die funktionelle Charakterisierung von HpPKS2 publiziert: Alles weist
darauf hin, dass diese Typ III PKS tatsächlich das Schlüsselenzyme der
Hypericin-Biosynthese ist:
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Zitate
-
Adam, P., Arigoni, D., Bacher, A., Eisenreich, W.,
2002.
Biosynthesis of hyperforin in Hypericum perforatum. Journal of
Medicinal Chemistry 45, 4786-4793.
Zurück zum Text
-
Beerhues, L., 2006. Hyperforin. Phytochemistry
67, 2201-2207.
Zurück zum Text
-
Boubakir, Z., Beuerle, T., Liu, B., Beerhues,
L., 2005. The first prenylation step in hyperforin biosynthesis.
Phytochemistry 66, 51-57.
Zurück zum Text
-
Butterweck, V., 2003. Mechanism of action of
St John's wort in depression: what is known?
CNS Drugs 17, 539-562.
Zurück zum Text
-
Di Carlo, G., Borrelli, F., Ernst, E., Izzo, A.
A., 2001.
St
John's wort: Prozac from the plant kingdom. Trends in Pharmacological
Sciences 22, 292-297.
Zurück zum Text
-
Jensen, A. G., Hansen, S. H., Nielsen, E. O.,
2001. Adhyperforin as a contributor to the effect of Hypericum
perforatum L. in biochemical models of antidepressant activity. Life
Sciences 68, 1593-1605.
Zurück zum Text
-
Karppinen, K., Hokkanen, J., Tolonen, A.,
Mattila, S., Hohtola, A., 2007. Biosynthesis of hyperforin and adhyperforin
from amino acid precursors in shoot cultures of Hypericum perforatum.
Phytochemistry 68,
1038-1045.
Hyperforin and
adhyperforin contribute to the antidepressant effects of Hypericum
perforatum. The involvement of branched-chain amino acids in the
biosynthesis of hyperforin and adhyperforin was demonstrated in H.
perforatum shoot cultures. L-[U-(13)C(5)]Valine and L-[U-(13)C(6)]isoleucine,
upon administration to the shoot cultures, were incorporated into acyl
side chain of hyperforin and adhyperforin, respectively. Feeding the
shoot cultures with unlabelled L-isoleucine at a concentration of 2 mM
induced a 3.7-fold increase in the production of adhyperforin. The
addition of 3 mM L-threonine, a precursor of isoleucine, stimulated a
2.0-fold increase in the accumulation of adhyperforin. The
administration of L-valine at concentrations of 0-5 mM had no
stimulating effect on the hyperforin production in H. perforatum
shoot cultures.
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-
Karppinen, K., Hohtola, A., 2008. Molecular
cloning and tissue-specific expression of two cDNAs encoding polyketide
synthases from Hypericum perforatum. Journal of Plant Physiology
165, 1079-1086.
Two previously
uncharacterized cDNAs encoding for polyketide synthases (PKSs), designated
as HpPKS1 and HpPKS2, were isolated from Hypericum perforatum. The
full-length HpPKS1 was 1573 bp containing an open reading frame (ORF) of
1161bp encoding for a 386 amino acid protein. The full-length cDNA of
HpPKS2 was 1559bp with an ORF of 1182bp encoding for a 393 amino acid
protein. The highly conserved catalytic amino acid residues common to
plant-specific PKSs were preserved in both genes. HpPKS1 and HpPKS2
exhibited distinct tissue-specific expression patterns in H. perforatum.
The HpPKS1 expression was highest in flower buds and lowest in root
tissues. The expression of HpPKS2 was found to be high in flower buds and
leaf margins and low in leaf interior parts, stems and roots. The
expression of the HpPKS1 was found to correlate with the concentrations of
hyperforin and adhyperforin while the expression of HpPKS2 showed
correlation with the concentrations of hypericins and pseudohypericins in
H. perforatum tissues.
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-
Klingauf, P., Beuerle, T., Mellenthin, A.,
El-Moghazya, S. A. M., Boubakir, Z., Beerhues, L., 2005.
Biosynthesis of the
hyperforin skeleton in Hypericum calycinum cell cultures.
Phytochemistry 66, 139-145.
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-
Lee, J. Y., Duke, R. K., Tran, V. H., Hook, J. M.,
Duke, C. C., 2006. Hyperforin and its analogues inhibit CYP3A4 enzyme
activity. Phytochemistry 67, 2550-2560.
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-
Maisenbacher, P., Kovar, K. A., 1992.
Adhyperforin: a homologue of hyperforin from Hypericum perforatum.
Planta Medica 58, 291-293.
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-
Müller, W. E., 2003. Current St John's wort
research from mode of action to clinical efficacy. Pharmacological Research
47, 101-109.
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-
Singer, A., Wonnemann, M., Müller, W. E., 1999.
Hyperforin, a major antidepressant constituent of St. John's Wort, inhibits
serotonin uptake by elevating free intracellular Na+. Journal of
Pharmacology and Experimental Therapeutics 290, 1363-1368.
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-
Treiber, K., Singer, A., Henke, B., Müller, W.
E., 2005. Hyperforin activates nonselective cation channels (NSCCs).
British Journal of Pharmacology 145, 75-83.
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-
Watkins, R. E., Maglich, J. M., Moore, L. B.,
Wisely, G. B., Noble, S. M., vis-Searles, P. R., Lambert, M. H., Kliewer,
S. A., Redinbo, M. R., 2003. 2.1 A crystal structure of human PXR in
complex with the St. John's wort compound hyperforin. Biochemistry 42,
1430-1438.
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-
Zou, L., Harkey, M. R., Henderson, G. L., 2002.
Effects of herbal components on cDNA-expressed cytochrome P450 enzyme
catalytic activity. Life Sciences 71, 1579-1589.
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CHS-Typ Ring-Faltung, aber andere Substrate
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