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(Last modification: 10. July 2010)

 

Typ III PKS: Nebenprodukte, Promiskuität, Funktionelle Identifizierung

 

    Praktisch alle Typ III Polyketidsynthasen (PKS) haben in vitro ein wenig irritierende Eigenschaften, d.h. als rekombinante Proteine nach Expression in E. coli oder anderen Wirten (Hefe, tierische Zellen, Insektenzellen):

  • 1. Sie synthetisieren Nebenprodukte (andere Produkte als erwartet): Mehr...

  • 2. Sie sind promiskuitiv (nicht sehr substratspezifisch): Mehr...

Deswegen:

  • 3. Die funktionelle Identifizierung neuer Mitglieder der Familie ist nicht immer einfach: Mehr....

  • 4. Und hier gibt es auch einige Beispiele: Unbekannte oder unklare physiologische Rolle, 'Orphan PKS': Mehr...

   Diese Themen sollen hier kurz besprochen werden. Die Diskussion wird sich beispielhaft meist auf Chalcon- (CHS), Stilben- (STS), und Stilbencarboxylat- (STCS) Synthasen konzentrieren, aber die Problematik ist bei praktisch allen Typ III Proteinen gleich.

 


 

1. Nebenprodukte

 

     In der Regel synthetisieren Chalconsynthasen (CHS), Stilbensynthasen (STS), und Stilbencarboxylatsynthasen (STCS) in vitro nicht nur die erwarteten Produkte, sondern auch Nebenprodukte, die als Derivate von Reaktions-Intermediaten erklärt werden können. Die Abbildung fasst in den Boxen die Nebenprodukte zusammen, die üblicherweise erhalten werden, und zwar mit 4-Coumaroyl-CoA als repräsentativem Substrat. Dies sind typischerweise Benzalaceton (eine Kondensation), Arylpyrone (eine Kondensation), Styrylpyrone (z.B. Bisnoryangonin, zwei Kondensationen), und 4-Coumaroyltriacetsäure-Lacton (CTAL, drei Kondensationen, auch ein Pyron).
 

 

Reactions of CHS (chalcone synthase), STS (stilbene synthase), and STCS (stilbenecarboxylate synthase), and byproducts in vitro.
The reactions are given for the prototype substrate 4-coumaroyl-CoA. The colours mark the three condensation reactions. The byproducts are boxed. Most abundant are the pyrone derailment products after two and three condensations (Bisnoryangonin and 4-Coumaroyltriacetic acid, CTAL).

 

     Benzalaceton, Arylpyrone, und Bisnoryangonin wurden als Nebenprodukte der CHS schon bei der Entdeckung und ersten Charakterisierung der CHS beschrieben (Kreuzaler and Hahlbrock, 1975a, 1975b; Hrazdina et al., 1976; Saleh et al., 1978).  Interessanterweise sind zumindest Benzalaceton und Bisnoryangonin auch Naturstoffe in Pflanzen: Benzalaceton ist die Vorstufe zur Hauptaromakomponente in der Himbeere (Borejsza-Wysocki and  Hrazdina, 1994; 1996); es wird durch eine Typ III PKS synthetisiert (Hrazdina and Zheng, 2006; Zheng and Hrazdina, 2008, mehr...), und in einem Rhabarber wird Benzalaceton auch durch eine Typ III PKS gebildet (Rheum palmatum, Abe et al., 2001; 2003, mehr...). Bisnoryangonin gibt es in vielen Pflanzen (Beckert et al., 1997; Übersicht in: Schröder, 1999), aber hier steht der Nachweis wohl noch aus, dass es durch eine Typ III PKS synthetisiert wird (mehr...).
    4-Coumaroyltriacetsäure-Lacton (CTAL) dagegen wurde relativ spät entdeckt (Yamaguchi et al., 1999), und es wurde als das physiologische Produkt einer Typ III PKS aus  Hydrangea macrophylla var. thunbergii  diskutiert (Akiyama et al., 1999).
     Die Nebenprodukte kann man in praktisch allen CHS, STS, und STCS Reaktionen finden, wenn man genau hinschaut: Die Pyrone Bisnoryangonin und besonders das CTAL gehen bei der Produktaufarbeitung leicht verloren. Besonders das Letztere ist kaum zu finden, wenn, wie in vielen Fällen üblich, die Produkte der Enzymreaktionen bei pH 7 (oder höher) mit Ethylacetat extrahiert werden.
     Noch schlimmer mit Abbruch-Reaktionen wird es, wenn man unphysiologische Substrate verwendet, s. nächstes Kapitel: Typischerweise können alle Typ III PKS viele Substrate akzeptieren, und zwar oft genauso gut wie die physiologischen Substrate. Aber meist kommen dabei nicht die erwarteten Produkte heraus, da die Reaktionen frühzeitig abgebrochen werden. Beispiele: Bei CHS wird die Reaktion mit unphysiologischen Substraten meist nach zwei Kondensationen abgebrochen (-> Pyron-Produkt, s. Bisnoryangonin-Typ), oder wenn schon drei Kondensationen möglich sind, gelingt die Faltung zum Chalcon-Typ Produkt nicht mehr (-> Pyron-Produkt, s. CTAL-Typ).  Zur Beachtung: Genau die gleichen Nebenprodukte erhält man mit STS oder STCS, s. Abbildung oben! Wenn man also solche Produkte mit einem neu charakterisierten Protein erhält: Sind das nun die 'wirklichen' Produkte oder nur Nebenprodukte von entweder CHS, STS, oder STCS? Und war das verwendete Substrat überhaupt das physiologische? Die Antwort ist nicht immer leicht.
       Und auch dies noch: Sogar die Spezifität der Ringfaltung zum Chalcon und Stilben ist nicht absolut: Es gibt Berichte, dass ein paar Prozente der CHS-Produkte tatsächlich Stilbene waren, und dass umgekehrt ein paar Prozente der STS-Produkte Chalcone waren (Yamaguchi et al., 1999; Suh et al., 2000).

 

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2. Substrat-Promiskuität

 

     Alle diese Enzyme sind nicht sehr substratspezifisch. CHS, STS und STCS zum Beispiel akzeptieren alle CoA-Ester die so etwa die gleiche Grösse wie das physiologische Substrat 4-Coumaroyl-CoA haben, und die Aktivitäten mit ihnen können genau so hoch sein. Dies wurde bereits sehr früh beschrieben, und eines der ersten schönen Beispiele ist die Arbeit von  Schüz et al. (1983); sie zeigte bereits damals, dass Benzoyl-CoA, Hexanoyl-CoA, und andere aliphatische CoA-Ester excellente Substrate der CHS sind. Diese Promiskuität wurde durch alle späteren Untersuchungen mit anderen CHS bestätigt (wenn es denn überhaupt untersucht wurde). Auch bestätigt wurde, dass die Reaktionen in den meisten Fällen vorzeitig abgebrochen werden, oder dass die Faltung zum Chalcon-Typ Produkt nicht erreicht wird (wie bereits oben besprochen).
      Manchmal führt dies zu erstaunlichen Ergebnissen. Zum Beispiel: Das physiologische Substrat der Pentaketid-Synthase (PCS) und der Oktaketid-Synthase (OKS) aus Aloe arborescens ist vermutlich Malonyl-CoA (oder vielleicht Acetyl-CoA), und die Enzyme führen damit vier (PCS) oder sieben (OKS) Kondensationen durch. Aber in vitro akzeptieren sie auch sehr gut viel grössere Substrate, wie zum Beispiel CoA-Ester von langkettigen Fettsäuren, und sogar auch 4-Coumaroyl-CoA, das Prototyp-Substrat der CHS und STS. Die Produkte sind die Pyrone von zwei oder drei Kondensationsreaktionen. Mit 4-Coumaroyl-CoA sind das Bisnoryangonin und CTAL; Chalcone oder Stilbene wurden nicht gefunden.  Eigentlich sollte man in solchen Fällen früher oder später zusätzliche Evidenz für die vorgeschlagene physiologische Funktion der  Enzyme beibringen (s. unten).
       Und es kann noch komplizierter werden. Die Typ III PKS sind nicht nur sehr wenig wählerisch mit dem Starter-Substrat, sondern in vielen Fällen auch nicht mit dem Kettenverlängerer. Standard für diese Enzyme ist Malonyl-CoA, aber Methylmalonyl-CoA geht in vielen Fällen auch. Als physiologischer Kettenverlängerer wurde es in einem Falle bereits vorgeschlagen (Schröder et al., 1998), in der Biosynthese C-methylierter Flavonoide: Mehr....  Spätere Experimente lassen vermuten, dass auch andere Typ III PKS diese Fähigkeit besitzen, zumindest in vitro 
(Abe et al., 2002; Abe et al., 2003; Abe et al., 2006).
      Diese Promiskuität kann auch ganz interessante Anwendungen haben: Man kann ganz neue Produkte erhalten, wenn man total artifizielle Substrate anbietet  (Morita et al., 2000; Morita et al., 2001).

 

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3. Konsequenzen für die funktionelle Identifizierung neuer Typ III Enzyme

 

     Die beiden oben besprochenen Eigenschaften haben einige Konsequenzen, wenn Sie an der Identifizierung der physiologischen Funktion neuer Familien-Mitglieder interessiert sind. Neue Typ III Enzyme bekommt man meist durch Homologie-basierte Klonierungs-Strategien (z.B. durch Hybridisierung, RT-PCR mit degenerierten Primern, oder neuerdings durch 'Genome mining', also durch Homologiesuchen in Genbanken). Damit kann man einiges finden, welches laut Sequenz wohl in die Familie der Typ III PKS gehört. Der nächste und kritische Schritt ist dann der Versuch, eine Funktion zu finden, und wenn möglich die, welche das Protein in der Pflanze hat.
     Zunächst ist in den meisten Fällen der erste Schritt: Heterologe Expression in einem anderen Wirt (E. coli, Hefe, Insektenzellen, usw.), Reinigung des Proteins, und Teste mit verschiedenen Substraten. Die erste Wahl wird hier sicherlich dasjenige sein, welches zu einem Produkt führt, welches in der untersuchten Pflanze vorhanden ist. Dies muss nicht gleich der Naturstoff selbst sein; häufig lassen sich in komplizierten Naturstoffen denkbare PKS-synthetisierte Vorstufen ableiten. Eine halbwegs sorgfältige Untersuchung wird jedoch auch andere Substrate testen. Ganz sicher sollten die Prototyp-Substrate der CHS dabei sein, denn Gene (meistens sogar viele: Genfamilie!) für dieses Enzym sind allgegenwärtig in Pflanzen, und die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass alle Strategien auch diese Gene finden. 
    Mit etwas Glück führen diese Experimente zu dem erwünschten Ergebnis: Das neue Typ III Protein ist nicht einfach eine zusätzliche CHS, sondern macht mit einem anderen Substrat ein Produkt, welches einem Naturstoff (oder einem Precursor) in der Pflanze zugeordnet werden kann. Oder es katalysiert mit einem wohlbekannten Substrat eine neuartige Reaktion zu einem neuen Produkt, und so etwas gibt es in der Pflanze. Dann sind Sie gut dran, sogar wenn auch andere Substrate akzeptiert werden: Das demonstriert dann wieder einmal die Promiskuität dieser Enzyme.
     Leider ist dies aber häufig nicht so einfach, und es gibt mehrere Gründe dafür, dass man partout nicht das erwartete Produkt in vitro erhält. Ein trivialer ist manchmal, dass man das rekombinante Protein einfach nicht in löslicher Form bekommen kann. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu optimieren, aber manchmal scheitert man doch daran: Ein vernünftiger Test der Aktivität ist dann gar nicht erst möglich. Oder das Enzym nimmt zwar das erwartete Substrat ganz gut, aber schafft es aus irgendwelchen Gründen nicht, die erwartete Reaktion ganz durchzuführen (s. die Nebenprodukte oben), und/oder gleichzeitig nimmt es auch andere Substrate, und die Substrat-Promiskuität verhindert eine klare Identifizierung des vermutlich physiologischen Substrats. Manchmal bekommt man perfekt die erwartete Reaktion, aber sie ist der der CHS so ähnlich, dass die Substrat-Promiskuität es verhindert, die physiologische Rolle festzulegen. Ein Beispiel dafür ist die Valerophonsynthase (VPS) aus dem Hopfen: Mehr.... Es ist wohl immer noch nicht so ganz klar, welches der vielen klonierten Typ III PKS nun die 'wirkliche' CHS oder VPS ist: Mehrere der Proteine scheinen beide Aktivitäten zu haben, wenigstens in vitro.  Im übrigen gibt es noch andere Enzyme, die eine CHS-Typ Ringfaltung mit anderen Substraten durchführen (mehr...), und das gleiche gilt für die STS-Typ Ringfaltung (mehr...).
     Einer der häufigsten nicht so trivialen Gründe scheint zu sein, dass die isolierte Typ III PKS allein nicht in der Lage ist, die ganze Reaktion zu einem erwarteten Endprodukt durchzuführen, da etwas fehlt. Sehr wahrscheinlich ist dies so in einigen Fällen, die auf anderen Seiten dieser Website besprochen werden: Entweder fehlt eine postulierte Reduktase (mehr....) oder es fehlt eine weiterführende Reaktion mit einem weiteren Enzym (mehr.....).
      Dann wird es schwierig, und es wird notwendig, andere unterstützende Evidenz zu bekommen (etwas, das auf längere Sicht sowieso gemacht werden sollte). Beispiele für Punkte, die helfen können (kein Anspruch auf Vollständigkeit!):      

  • Sehen Sie sich die Proteinsequenz genauer an:

  • wenn sie 90% oder mehr identisch mit typischen CHS ist: Dann ist es sehr wahrscheinlich auch eine. Typ III PKS mit 70% oder weniger Identität zu CHS haben in den meisten Fällen auch eine andere Funktion.

  • Sehen Sie sich die Motive/Aminosäuren an, die bei anderen Typ III PKS bekannterweise wichtig sind für Substrat- und Produkt-Grösse, und versuchen Sie eine Interpretation Ihres neuen Proteins. Oder versuchen Sie, Ihr Protein anhand bekannter 3D-Strukturen zu modellieren (leicht möglich über Internet-Server, z.B. Swissmodel). Allerdings, bisher war dies immer ein 'Erkennen im Nachhinein', d.h. die physiologische Funktion war bereits bekannt, und man konnte Unterschiede zu anderen Funktionen intelligent interpretieren.

  • Vorhersagen für neue Aktivitäten aus Sequenz/Motif-Analysen? Sieht nicht so gut aus. In den meisten Fällen waren solche Sequenz-Analysen nur sehr beschränkte Hilfen bei der Identifizierung des physiologischen Substrates. Ein typisches Beispiel: Sogar heutzutage ist es kaum möglich, CHS, STS und STCS durch solche Sequenz-Analysen oder anhand von Modellen zu unterscheiden. Und es ist sogar möglich, dass nicht einmal fertige 3D-Strukturen dazu ausreichen (mehr....).

  • Ich möchte hierauf ein bisschen mehr eingehen, aufgrund von Gedanken, die kürzlich in einem Übersichtsartikel diskutiert wurden (Jiang et al., 2008): Gibt es Möglichkeiten, die Funktion aus phylogenetischen/vergleichenden Analysen vorherzusagen?

  • Solche Vorhersagen werden vermutlich nicht möglich sein für Enzyme aus Moosen, Farnen, und Gymnospermen, weil CHS und nicht-CHS so dicht in einem Cluster sitzen, dass eine Unterscheidung nicht möglich ist.

  • Mit Angiospermen ist es ein bisschen kompliziert. Ein Protein in einem gemeinsamen Cluster mit CHS ist nicht notwendigerweise eine CHS; es kann alles mögliche andere sein. Beispiele sind die Fabales: CHS und STS sind in der gleichen Gruppe, und alles Starren auf Sequenzen oder Motive wird den Unterschied zwischen CHS und STS kaum erkennen lassen. Andererseits, wenn ein Angiospermen Protein weit weg von typischen CHS gruppiert, zusammen mit Nicht-CHS, dann sind die Chancen gut, dass es tatsächlich nicht eine CHS ist. Aber darüber hinaus sind keine Aussagen über die Funktion möglich: Die Gruppe ist zu heterogen inbezug auf die Funktion. 

  • Mit Monocotylen ist es auch ein wenig kompliziert. Die Proteine tendieren dazu, in einer grossen Gruppe abgetrennt von anderen zu sein. Aber diese Gruppe enthält CHS und Nicht-CHS! Zum Beispiel ist CHS8 aus Sorghum bicolor tatsächlich eine STS (Yu et al., 2005),  aber ist in der grossen CHS-Gruppe. Andererseits sind Proteine, die ganz woanders in einer Gruppe sitzen, vermutlich keine CHS, geradeso wie bei den Angiospermen. Allerdings bezieht sich diese Aussage bisher nur auf ein Enzym, die Curcuminoidsynthase (CUS), die auf einer anderen Seite besprochen wird (mehr...). Die Zukunft wird zeigen,  ob solche Verallgemeinerung für Monocotylen Typ III PKS Bestand hat.
    Neu im März 2010
    : Die Alkylresorcinol-Synthasen (ARS) aus der Hirse (Sorghum bicolor) und Reis (Oryza sativa) sind tatsächlich in einer Gruppe, die phylogenetisch weit entfernt ist von den CHS / STS aus Monokotylen: mehr...

  • Können Sie die Enzymaktivität in vitro in Pflanzenextrakten messen, und ist sie induzierbar?
        Dann kann man zeigen, dass Änderungen der Enzymaktivität mit Änderungen der mRNA korrelieren; das kann eine gute Argumentationshilfe sein.

  • Ist Ihre Pflanze genetischen Techniken zugänglich, z.B. Gen-Transfer, incl. RNAi Strategien?
       
    Versuchen Sie, die Genfunktion auszuschalten, entweder durch direkten 'knockout' der Sequenz, oder durch RNAi, oder finden Sie eine Mutante, oder versuchen Sie, das Gen zur Überexpression durch Einführung zusätzlicher Gene unter neuer Steuerung bringen. Wenn Ihre Annahme über die Funktion korrekt ist, sollten sich solche Manipulationen mit Änderungen der Enzymaktivität und Endprodukte korrelieren lassen. Leider ist aber eine Tatsache, dass viele Pflanzen mit den interessantesten Naturstoffen mit solchen Techniken nicht bearbeitet werden können.

  • Ein Ausweg könnte sein: Exprimieren Sie das isolierte Gen (oder cDNA) in einer Pflanze, mit der genetische Manipulationen kein Problem sind, z.B. Arabidopsis thaliana, Tabak, usw.
        Wenn Sie Glück haben, finden Sie dann neue Produkte, die den Erwartungen entsprechen. Wenn Sie Pech haben, finden Sie überhaupt keine Veränderung. Das kann z.B. passieren, wenn die Wirtspflanze das notwendige Substrat gar nicht zur Verfügung stellt. Eine gemeine Variante von Pech: Das 'richtige' Substrat ist nicht da, aber andere ebenfalls akzeptierte Substanzen, und dann kann die Promiskuität der Enzyme dazu führen, dass Sie etwas ganz Unerwartetes Neues bekommen, das mit der eigentlichen Funktion in der Ursprungspflanze gar nichts zu tun hat.

     Wenn alles fehlschlägt, die neue Funktion eindeutig zu identifizieren, und Sie möchten trotzdem publizieren: Beten Sie um einen Reviewer, der die Problematik kennt und akzeptiert.  Allerdings sollte man schon demonstrieren können, dass man das Mögliche versucht hat.....
     Zum Schluss noch eine Anmerkung. Heutzutage liefern Genomprojekte eine grosse Zahl von Sequenzen, und in den meisten Fällen tauchen dabei auch Typ III PKS auf. Das kann sehr interessant sein, da hier eine Chance zur Entdeckung neuer Funktionen besteht. Allerdings sollte man hier auch zur Vorsicht raten. Wenn man überhaupt keine Idee zur physiologischen Funktion hat, d.h. wenn kein Naturstoff bekannt ist, der über eine Typ III PKS synthetisiert werden könnte, dann sollte man sich gut überlegen, ob man mit solchen Genen arbeiten sollte: Die bekannte Promiskuität wird ganz sicher dazu führen, dass ein rekombinantes Enzym in vitro irgendein Substrat akzeptiert und irgend etwas damit synthetisiert. Aber wie interpretiert man ein solches Ergebnis? Man sollte dann schon parallel eine umfassende Analyse der Naturstoffe in der Pflanzen durchführen, aber wieviele Arbeitsgruppen haben die Möglichkeiten dazu, und viel wichtiger, die Motivation, wenn vorher überhaupt nichts bekannt ist?
 

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4. Typ III PKS; physiologische Rolle unbekannt oder unsicher

 

-> Eine passende Bezeichnung: 'Orphan PKS' (deutsch, aber nicht sonderlich gut: 'Waisen-PKS')

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Zitate

  • Abe, I., Sano, Y., Takahashi, Y., Noguchi, H., 2003. Site-directed mutagenesis of benzalacetone synthase: the role of Phe215 in plant type III polyketide synthases. Journal of Biological Chemistry 278, 25218-25226.
       Benzalacetone synthase (BAS) and chalcone synthase (CHS) are plant-specific type III polyketide synthases (PKSs) that share [~]70% amino acid sequence identity. BAS catalyzes a one-step decarboxylative condensation of 4-coumaroyl-CoA with malonyl-CoA to produce a diketide benzalacetone, whereas CHS performs sequential condensations with three malonyl-CoA to generate a tetraketide chalcone. A homology model suggested that BAS has the same overall fold as CHS with cavity volume almost as large as that of CHS. One of the most characteristic features is that Rheum palmatum BAS lacks active site Phe-215; the residues 214LF conserved in type III PKSs are uniquely replaced by IL. Our observation that the BAS I214L/L215F mutant exhibited chalcone-forming activity in a pH-dependent manner supported a hypothesis that the absence of Phe-215 in BAS accounts for the interruption of the polyketide chain elongation at the diketide stage. On the other hand, Phe-215 mutants of Scutellaria baicalensis CHS (L214I/F215L, F215W, F215Y, F215S, F215A, F215H, and F215C) afforded increased levels of truncated products; however, none of them generated benzalacetone. These results confirmed the critical role of Phe-215 in the polyketide formation reactions and provided structural basis for understanding the structure-function relationship of the plant type III PKSs.
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  • Abe, I., Takahashi, Y., Lou, W., Noguchi, H., 2003. Enzymatic formation of unnatural novel polyketides from alternate starter and nonphysiological extension substrate by chalcone synthase. Organic Letters 5, 1277-1280.
       In the chalcone synthase (CHS) enzyme reaction, both the starter molecule and the extension unit of the poyketide chain elongation reaction were simultaneously replaced with nonphysiological substrates. When incubated with benzoyl-CoA and methylmalonyl-CoA as substrates, recombinant CHS from Scutellaria baicalensis afforded an unnatural novel triketide, 4-hydroxy-3,5-dimethyl-6-phenyl-pyran-2-one, along with a tetraketide, 4-hydroxy-3,5-dimethyl-6-(1-methyl-2-oxo-2-phenyl-ethyl)-pyran-2-one. On the other hand, the enzyme also accepted hexanoyl-CoA and methylmalonyl-CoA as substrates to produce an unnatural novel triketide, 4-hydroxy-3,5-dimethyl-6-pentyl-pyran-2-one.
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  • Abe, I., Takahashi, Y., Noguchi, H., 2002. Enzymatic formation of an unnatural C6-C5 aromatic polyketide by plant type III polyketide synthases. Organic Letters 4, 3623-3626.
       Substrate specificities of plant polyketide synthases (PKSs) were investigated using analogues of malonyl-CoA, the extension unit of the polyketide chain elongation reactions. When incubated with methylmalonyl-CoA and 4-coumaroyl-CoA, plant PKSs (chalcone synthase from Scutellaria baicalensis, stilbene synthase from Arachis hypogaea, and benzalacetone synthase from Rheum palmatum) afforded an unnatural C(6)-C(5) aromatic polyketide, 1-(4-hydroxyphenyl)pent-1-en-3-one, formed by one-step decarboxylative condensation of the two substrates. In contrast, succinyl-CoA was not accepted as a substrate by the enzymes.
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  • Abe, T., Noma, H., Noguchi, H., Abe, I., 2006. Enzymatic formation of an unnatural methylated triketide by plant type III polyketide synthases. Tetrahedron Letters 47, 8727-8730.
       Octaketide synthase, a novel plant-specific type III polyketide synthase from Aloe arborescens, efficiently accepted (2RS)-methylmalonyl-CoA as a sole substrate to produce 6-ethyl-4-hydroxy-3,5-dimethyl-2-pyrone. On the other hand, a tetraketide-producing chalcone synthase from Scutellaria baicalensis and a diketide-producing benzalacetone synthase from Rheum palmatum also yielded the unnatural methylated C9 triketide pyrone as a single product by sequential decarboxylative condensations of three molecules of (2RS)-methylmalonyl-CoA.
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  • Abe, I., Takahashi, Y., Morita, H., Noguchi, H., 2001. Benzalacetone synthase: a novel polyketide synthase that plays a crucial role in the biosynthesis of phenylbutanones in Rheum palmatum. European Journal of Biochemistry 268, 3354-3359.
       Benzalacetone synthase (BAS) is a novel plant-specific polyketide synthase that catalyzes a one step decarboxylative condensation of 4-coumaroyl-CoA with malonyl-CoA to produce the C 6 -C 4 skeleton of phenylbutanoids in higher plants. A cDNA encoding BAS was for the first time cloned and sequenced from rhubarb (Rheum palmatum), a medicinal plant rich in phenylbutanoids including pharmaceutically important phenylbutanone glucoside, lindleyin (anti-inflammatory action in extracts, Fig. 4: derivative of raspberry ketone, by attaching a sugar+phenyl-derivative to hydroxy group of coumaroyl starter residue). The cDNA encoded a 42 kDa protein that shares 60-75% amino acid sequence identity with other members of the CHS-superfamily enzymes. Interestingly, R. palmatum BAS lacks the active-site Phe215 residue (numbering in CHS) which has been proposed to help orient substrates and intermediates during the sequential condensation of 4-coumaroyl-CoA with malonyl-CoA in CHS. On the other hand, the catalytic cysteine-histidine dyad (Cys164 - His303) in CHS is well conserved in BAS. A recombinant enzyme expressed in E. coli efficiently afforded benzalacetone as a single product from 4-coumaroyl-CoA and malonyl-CoA. Further, in contrast with CHS that showed broad substrate specificity toward aliphatic CoA esters, BAS did not accept hexanoyl-CoA, isobutyryl-CoA, isovaleryl-CoA, and acetyl-CoA as a substrate. Finally, besides the phenylbutanones in rhubarb, BAS has been proposed to play a crucial role for the construction of the C 6 -C 4 moiety of a variety of natural products such as medicinally important gingerols in ginger plant.
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  • Akiyama, T.,  Shibuya, M., Liu, H. M., Ebizuka, Y., 1999. p-Coumaroyltriacetic acid synthase, a new homologue of chalcone synthase, from Hydrangea macrophylla var. thunbergii. European Journal of Biochemistry 263, 834-839.
        Chalcone synthase and stilbene synthase are plant-specific polyketide synthases. They catalyze three common consecutive decarboxylative condensations and specific cyclization reactions. They are highly homologous to each other, and are likely to fall into a family of polyketide synthases along with acridone synthase and bibenzyl synthase. Two cDNA clones (named HmC and HmS), both of which show high homology to the known chalcone synthases, were obtained from leaves of Hydrangea macrophylla var. thunbergii. They were expressed in Escherichia coli in order to determine their enzyme functions. Detection of chalcone formation clearly indicated that HmC encoded chalcone synthase, while HmS protein catalyzed the formation of neither chalcone nor stilbene. However, a novel pyrone, a lactonization product of a linear tetraketide was detected in reaction products of HmS protein. This proves that HmS encodes a novel polyketide synthase that catalyzes only chain elongation without cyclization.
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  • Beckert, C., Horn, C., Schnitzler, J.-P., Lehning, A., Heller, W., Veit, M., 1997. Styrylpyrone biosynthesis in Equisetum arvense L. Phytochemistry 44, 275-283.
       Styrylpyrone synthase was detected in cell free extracts from gametophytes of Equisetum arvense. This new enzyme catalyses the formation of styrylpyrones from malonyl-CoA and hydroxycinnamoyl- CoA precursors. A standard enzyme assay was established. The enzyme activity was characterized in partially purified protein extracts. p-Coumaroyl-CoA was accepted as substrate at pH 6.0-8.5 in various buffer systems with the formation of bisnoryangonin, and optimum enzyme activity was observed in potassium phosphate buffer at pH 7.5. Caffeoyl-CoA was accepted as substrate only in potassium phosphate buffer at pH 6.0-7.5 with formation of hispidin; optimum enzyme activity was observed at pH 7.0. The apparent K-m values were 220 µM for caffeoyl-CoA and 230 µM for p-coumaroyl-CoA. The temperature optimum of the enzyme activity was 37 degree for bisnoryangonin and 30 degree for hispidin formation. Molecular weight determination by FPLC indicated that this protein has a native molecular weight of ca 56-77 kDa. Styrylpyrones accumulate in rhizomes of sporophytes and gametophytes of E. arvense as major constitutive metabolites. In these organs no flavonoids could be detected. In green sprouts, styrylpyrone accumulation is only detected as a local response to mechanical wounding or microbial attack, and flavonoids are accumulated as major polyketide metabolites. Thus, chalcone synthase is active in the sporophytes and might have developed in the course of evolution from styrylpyrone synthase present in the more primitive gametophytes.
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  • Borejsza-Wysocki, W., Hrazdina, G., 1994. Biosynthesis of p-hydroxyphenylbutan-2-one in raspberry fruits and tissue cultures. Phytochemistry 35, 623-628.
       p-Hydroxyphenylbutan-2-one (pHPB), the raspberry ketone, is responsible for the characteristic aroma of raspberries. The compound accumulates rapidly during the later maturation stages of the berries. The synthesis and accumulation of pHPB correlates with that of anthocyanin and soluble solids ( degree Brix). pHPB is synthesized in cell-free extracts of fruits and tissue cultures from p-coumaryl-CoA and malonyl-CoA in a manner similar to the synthesis of chalcones and stilbenes. The specific biosynthetic pathway for pHPB formation deviates from the general phenylpropanoid pathway at the p-coumaryl-CoA stage and it is composed of two enzymes. The first enzyme is the p-hydroxyphenylbut-3-ene-2-one synthase (pHPB-3-ene-2-one synthase) that forms p-hydroxyphenylbut-3-ene-2-one by the condensation of malonyl-CoA with p-coumaryl-CoA. The second enzyme, p- hydroxyphenylbut-3-ene-2-one reductase (pHPB-3-ene-2-one reductase), reduces the p-hydroxyphenylbut-3-ene-2-one to p-hydroxyphenylbutan-2-one, the raspberry ketone. We detected the activity of both enzymes in crude extracts from raspberry fruits and their tissue cultures, and identified their reaction products by HPLC, crystallization to constant radioactivity and by GC-MS.
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  • Borejsza-Wysocki, W., Hrazdina, G., 1996. Aromatic polyketide synthases. Purification, characterization, and antibody development to benzalacetone synthase from raspberry fruits. Plant Physiology 110, 791-799.
        p-Hydroxyphenylbutan-2-one, the characteristic aroma compound of raspberries (Rubus idaeus L.), is synthesized from p-coumaryl-coenzyme A and malonyl-coenzyme A in a two-step reaction sequence that is catalyzed by benzalacetone synthase and benzalacetone reductase (W. Borejsza-Wysocki and G. Hrazdina 1994, Phytochemistry 35: 623-628). Benzalacetone synthase condenses one malonate with p-coumarate to form the pathway intermediate p- hydroxyphenylbut-3-ene-2-one (p-hydroxybenzalacetone) in a reaction that is similar to those catalyzed by chalcone and stilbene synthases. We have obtained an enzyme preparation from ripe raspberries that was preferentially enriched in benzalacetone synthase (approximately 170-fold) over chalcone synthase (approximately 14-fold) activity. This preparation was used to characterize benzalacetone synthase and to develop polyclonal antibodies in rabbits. Benzalacetone synthase showed similarity in its molecular properties to chalcone synthase but differed distinctly in its substrate specificity, response to 2-mercaptoethanol and ethylene glycol, and induction in cell- suspension cultures. The product of the enzyme, p-hydroxybenzalacetone, inhibited mycelial growth of the raspberry pathogen Phytophthora fragariae var rubi at 250 µM. We do not know whether the dual activity in the benzalacetone synthase preparation is the result of a bifunctional enzyme or is caused by contamination with chalcone synthase that was also present. The rapid induction of the enzyme in cell-suspension cultures upon addition of yeast extract and the toxicity of its product, p-hydroxybenzalacetone, to phytopathogenic fungi also suggest that the pathway may be part of a plant defense response.
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  • Hrazdina, G., Kreuzaler, F., Hahlbrock, K., Grisebach, H., 1976. Substrate specificity of flavanone synthase from cell suspension cultures of parsley and structure of release products in vitro. Archives of Biochemistry and Biophysics 175, 392-399.
        The substrate specificity of an extensively purified flavanone synthase from light-induced cell suspension cultures of Petroselinum hortense was investigated. p-Coumaroyl-CoA was found to be the only efficient substrate for flavanone synthesis, producing naringenin (5,7,4'-trihydroxyflavanone). Besides 4-hydroxy-6[4-hydroxystyryl]2-pyrone (F. Kreuzaler and K. Hahlbrock (1975) Arch. Biochem. Biophys. 169, 84-90) two further release products of the synthase reaction in vitro were identified as 4-hydroxy-5,6-dihydro-6(4-hydroxyphenyl)2-pyrone and p-hydroxybenzalacetone. The apparent Km values for malonyl-CoA and p-coumaroyl-CoA in the reaction leading to naringenin, and for p-coumaroyl-CoA in the reaction leading to the styrylpyrone derivative were 35, 1.6, and 2.6 µM, respectively. With caffeoyl-CoA as substrate only a very small amount of eriodictyol (5,7,3',4'-tetrahydroxyflavanone) was formed besides relatively large amounts of the corresponding styrylpyrone, dihydropyrone, and benzalacetone derivatives. No flavanone formation was observed with feruloyl-CoA as substrate, but again appreciable amounts of the three types of short-chain release products were formed. No reaction at all took place with cinnamoyl-CoA, p-methoxycinnamoyl-CoA, isoferuloyl-CoA, or p-hydroxybenzoyl-CoA. None of the styrylpyrone, dihydropyrone, and benzalacetone derivatives has been detected in the cell cultures in vivo. The present results suggest that naringenin is the only natural product of the synthase reaction and that further substitution in the B-ring of the flavonoids occurs in parsley at or after the flavanone stage. The nature of the smaller release products is consistent with the assumption of a stepwise addition of acetate units from malonyl-CoA to the acyl moiety of the starter molecule, p-coumaroyl-CoA.
    Anmerkung
    :
    The enzyme was first labelled as 'flavanone synthase', because the chalcone was so quickly converted in a non-enzymatic reaction to the flavanone that it was not detectable as the initial product. That was corrected a few years later with improved techniques (see reference below), but the wrong name was used in the publications up to that time:
    Heller, W., Hahlbrock, K., 1980. Highly purified "flavanone synthase" from parsley catalyzes the formation of naringenin chalcone. Archives of Biochemistry and Biophysics 200, 617-619 (mehr...)
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  • Hrazdina, G., Zheng, D. S., 2006. Expression and function of aromatic polyketide synthase genes in raspberries (Rubus idaeus sp.). In: Rimando, A. M., Baerson, S. R. (Eds.), Polyketides: Biosynthesis, Biological Activities and Genetic Engineering, American Chemical Society,  Washington, D.C., pp. 128-140.
       The genus Rubus contains a family of type III polyketide synthases which show differences in structure and function. We have cloned and characterized five aromatic polyketide synthase genes from raspberries. All five genes contain an intron of varying length and have 1173 bp coding sequences, with the exception of one gene that consists of 1149 bp. Four of the five genes encode proteins with 391 amino acid residues with a calculated protein mass of 42 kDa, while one gene coded for a shorter protein consisting of 383 amino acids. Sequence comparison of the five polyketide synthase genes showed high similarity both at the DNA and protein levels. Differences in the coding region were found mainly in the flanking sequences. Analysis of the reaction products showed that PKS1 and PKS5 were chalcone synthases, PKS2 that differs in six amino acids from PKS1 is silent, PKS3 is a p-coumarate triacetic acid lactone synthase (CTAS) and PKS4 is a benzalacetone synthase (BAS). The structural variations and the architecture of these PKS genes and enzymes is discussed.
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  • Jiang, C., Kim, S. Y., Suh, D.-Y., 2008. Divergent evolution of the thiolase superfamily and chalcone synthase family. Molecular Phylogenetics and Evolution 49, 691-701.
      
    Enzymes of the thiolase superfamily catalyze the formation of carbon-carbon bond via the Claisen condensation reaction. Thiolases catalyze the reversible non-decarboxylative condensation of acetoacetyl-CoA from two molecules of acetyl-CoA, and possess a conserved Cys-His catalytic diad. Elongation enzymes (beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase (KAS) I and KAS II and the condensing domain of polyketide synthase) have invariant Cys and two His residues (CHH triad), while a Cys-His-Asn (CHN) triad is found in initiation enzymes (KAS III, 3-ketoacyl-CoA synthase (KCS) and the chalcone synthase (CHS) family). These enzymes all catalyze decarboxylative condensation reactions. 3-Hydroxyl-3-methylglutaryl-CoA synthase (HMGS) also contains the CHN triad, although it catalyzes a non-decarboxylative condensation. That the enzymes of the thiolase superfamily share overall similarity in protein structure and function suggested a common evolutionary origin. All thiolases were found to have, in addition to the Cys-His diad, either Asn or His (thus C(N/H)H) at a position corresponding to the His in the CHH and CHN triads. In our phylogenetic analyses, the thiolase superfamily was divided into four main clusters according to active site architecture. During the functional divergence of the superfamily, the active architecture was suggested to evolve from the CHH in archaeal thiolases to the C(N/H)H in non-archaeal thiolases, and subsequently to the CHH in the elongation enzymes and the CHN in the initiation enzymes. Based on these observations and available biochemical and structural evidences, a plausible evolutionary history for the thiolase superfamily is proposed that includes the emergence of decarboxylative condensing enzymes accompanied by a recruitment of the His in the CHH and CHN triads for a catalytic role during decarboxylative condensation. In addition, phylogenetic analysis of the plant CHS family showed separate clustering of CHS and non-CHS members of the family with a few exceptions, suggesting repeated gene birth-and-death and re-invention of non-CHS functions throughout the evolution of angiosperms. Based on these observations, predictions on the enzymatic functions are made for several members of the CHS family whose functions are yet to be characterized. Further, a moss CHS-like enzyme that is functionally similar to a cyanobacterial enzyme was identified as the most recent common ancestor to the plant CHS family.
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  • Kreuzaler, F., Hahlbrock, K., 1975a. Enzymatic synthesis of aromatic compounds in higher plants. Formation of bis-noryangonin (4-hydroxy-6[4-hydroxystyryl]2-pyrone) from p-coumaroyl-CoA and malonyl-CoA. Archives of Biochemistry and Biophysics 169, 84-90.
       Cell-free extracts from light-induced cell suspension cultures of Petroselinum hortense catalyzed, in the presence of mercaptoethanol or dithioerythritol, the formation of bisnoryangonin from p-coumaroyl-CoA and malonyl-CoA. Radioactivity from the 3H- and 14C-labeled acyl moieties of p-coumaroyl-CoA and malonyl-CoA, respectively, was incorporated into the product at a molar ratio of 1:2. This result supports earlier conclusions from experiments in vivo favoring a mechanism of synthesis for the pyrone ring of bisnoryangonin according to the “acetate rule.” Bis-noryangonin could not be detected in cultured Petroselinum hortense cells in vivo. Our present results suggest that the styrylpyrone derivative formed in vitro is an artificial product of the first enzyme of the flavonoid pathway, flavanone synthetase. In the course of a 300-fold purification of this enzyme, the bis-noryangonin-synthesizing activity was always associated with the flavanone synthetase activity. The concentration of certain thiol reagents, such as mercaptoethanol or dithioerythritol, the ionic strength of the buffer, and the degree of purity of the enzyme preparation had a pronounced, differential effect on the amounts of flavanone and styrylpyrone formed by the flavanone synthetase. A possible explanation for the mechanism of formation of the artificial product, bis-noryangonin, is discussed.
    Note: The enzyme was first labelled as 'flavanone synthase', because the chalcone was so quickly converted in a non-enzymatic reaction to the flavanone that it was not detectable as the initial product. That was corrected a few years later with improved techniques (see reference below), but the wrong name was used in the publications up to that time:
    Heller, W., Hahlbrock, K., 1980. Highly purified "flavanone synthase" from parsley catalyzes the formation of naringenin chalcone. Archives of Biochemistry and Biophysics 200, 617-619 (more...)
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  • Kreuzaler, F., Hahlbrock, K., 1975b. Enzymic synthesis of an aromatic ring from acetate units. Partial purification and properties of flavanone synthase from cell-suspension cultures of Petroselinum hortense. European Journal of Biochemistry 56, 205-213.
       Flavanone synthase was isolated and purified about 300-fold from fermenter-grown, light-induced cell suspension cultures of Petroselinum hortense. The enzyme catalyzed the formation of the flavanone naringenin from p-coumaroyl-CoA and malonyl-CoA. Trapping experiments with an enzyme preparation, which was free of chalcone isomerase activity, revealed that in fact the flavanone and not the isomeric chalcone was the immediate product of the synthase reaction. Thus the enzyme is not a chalcone synthase as previously assumed. No coafactors were required for flavanone synthase activity. The enzyme was strongly inhibited by the two reaction products naringenin and CoASH, by the antibiotic cerulenin, by acetyl-CoA, and by several compounds reacting with sulfhydryl groups. Optimal enzyme activity was found at pH 8.0, at 30 degrees C, and at an ionic strength of 0.1 - 0.3 M potassium phosphate. EDTA, Mg2+, Ca2+, or Fe2+ at concentrations of about 0.7 muM did not affect the enzyme activity. Apparent molecular weights of approx. 120 000, 50 000, and 70 000, respectively, were determined for flavanone synthase and two metabolically related enzymes, chalcone isomerase and malonyl-CoA: flavonoid glycoside malonyl transferase. The partially purified flavanone synthase efficiently catalyzed the formation of malonyl pantetheine from malonyl-CoA and pantetheine. This malonyl transferase activity, and a general similarity with the condensation steps involved in the mechanisms of fatty acid and 6- methylsalicylic acid synthesis from "acetate units", are the basis for a hypothetical scheme which is proposed for the sequence of reactions catalyzed by the multifunctional flavanone synthase.
    Note:
    The enzyme was first labelled as 'flavanone synthase', because the chalcone was so quickly converted in a non-enzymatic reaction to the flavanone that it was not detectable as the initial product. That was corrected a few years later with improved techniques (see reference below), but the wrong name was used in the publications up to that time:
    Heller, W., Hahlbrock, K., 1980. Highly purified "flavanone synthase" from parsley catalyzes the formation of naringenin chalcone. Archives of Biochemistry and Biophysics 200, 617-619 (mehr...)
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  • Morita, H., Noguchi, H., Schröder, J., Abe, I., 2001. Novel polyketides synthesized with a higher plant stilbene synthase. European Journal of Biochemistry 268, 3759-3766.
       The physiological function of the stilbene synthase (STS) from groundnut (Arachis hypogaea) is the formation of resveratrol. The enzyme uses 4-coumaroyl-CoA, performs three condensations with malonyl-CoA, and folds the resulting tetraketide into a new aromatic ring system. We investigated the capacity to build novel and unusual polyketides from alternative substrates. Three types of products were obtained: (A) complete reaction (stilbene-type), (B) three condensations without formation of aromatic ring (CTAL-type pyrone derailment), (C) two condensations (BNY-type pyrone derailment). All product types were obtained from 4-fluorocinnamoyl-CoA and analogs in which the coumaroyl moiety was replaced by furan or thiophene. Only type (B) and (C) products were synthesized from other 4-substituted 4-coumaroyl-CoA analogs (-Cl, -Br, -OCH3). Benzoyl-CoA, phenylacetyl-CoA, and medium chain aliphatic CoA-esters were poor substrates, and the majority of the products was of type (C). The results show that minor modifications can be used to direct the enzyme reaction to form a variety of different and new products. Manipulation of the biosynthesis of polyketides by synthetic analogs could lead to development of a chemical library of pharmaceutically interesting novel polyketides.
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  • Morita, H., Takahashi, Y., Noguchi, H., Abe, I., 2000. Enzymatic formation of unnatural aromatic polyketides by chalcone synthase. Biochemical and Biophysical Research Communications 279, 190-195.
       Substrate specificity of recombinant chalcone synthase (CHS) from Scutellaria baicalensis (Labiatae) was investigated using chemically synthesized aromatic and aliphatic CoA esters. It was demonstrated for the first time that CHS converted benzoyl-CoA to phlorobenzophenone (2,4,6-trihydroxybenzophenone) along with pyrone by-products. On the other hand, phenylacetyl-CoA was enzymatically converted to an unnatural aromatic polyketide, phlorobenzylketone (2,4,6-trihydroxyphenylbenzylketone), whose structure was finally confirmed by chemical synthesis. Furthermore, in agreement with earlier reports, S. baicalensis CHS also accepted aliphatic CoA esters, isovaleryl-CoA and isobutyryl-CoA, to produce phloroacylphenones. In contrast, hexanoyl-CoA only afforded pyrone derivatives without formation of a new aromatic ring. It was noteworthy that both aromatic and aliphatic CoA esters were accepted in the active site of the enzyme as a starter substrate for the complex condensation reaction. The low substrate specificity of CHS thus provided further insight into the structure and function of the enzyme.
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  • Saleh, N. A. M., Fritsch, H., Kreuzaler, F., Grisebach, H., 1978. Flavanone synthase from cell suspension cultures of Haplopappus gracilis and comparison with the synthase from parsley. Phytochemistry 17, 183-186.
       Flavanone synthase was isolated and purified ca 62-fold from cell suspension cultures of Haplopappus gracilis. The enzyme preparation catalysed the formation of naringenin from 4-coumaryl-CoA and malonyl-CoA with a pH optimum of ca 8. The same enzyme was also capable of synthesizing eriodictyol from caffeyl-CoA and malonyl-CoA; in this case the pH optimum lay between 6.5 and 7. The homogeneous flavanone synthase from cell suspension cultures of parsley showed the same dependence of the pH optimum on the nature of the cinnamyl-CoA. It can be concluded that both naringenin and eriodictyol are natural products of the synthase reaction.
    Note
    :
    The enzyme was first labelled as 'flavanone synthase', because the chalcone was so quickly converted in a non-enzymatic reaction to the flavanone that it was not detectable as the initial product. That was corrected a few years later with improved techniques (see reference below), but the wrong name was used in the publications up to that time:  more...
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  • Schröder, J., Raiber, S., Berger, T., Schmidt, A., Schmidt, J., Soares-Sello, A. M., Bardshiri, E., Strack, D., Simpson, T. J., Veit, M., Schröder, G., 1998. Plant polyketide synthases: a chalcone synthase-type enzyme which performs a condensation reaction with methylmalonyl-CoA in the biosynthesis of C-methylated chalcones. Biochemistry 37, 8417-8425.
        Heterologous screening of a cDNA library from Pinus strobus seedlings identified clones for two chalcone synthase (CHS) related proteins (PStrCHS1 and PStrCHS2, 87.6% identity). Heterologous expression in Escherichia coli showed that PStrCHS1 performed the typical CHS reaction, that it used starter CoA-esters from the phenylpropanoid pathway, and that it performed three condensation reactions with malonyl-CoA, followed by the ring closure to the chalcone. PstrCHS2 was completely inactive with these starters and also with linear CoA-esters. Activity was detected only with a diketide derivative (N-acetylcysteamine thioester of 3-oxo-5-phenylpent-4-enoic acid) that corresponded to the CHS reaction intermediate postulated after the first condensation reaction. PstrCHS2 performed only one condensation, with 6-styryl-4-hydroxy-2-pyrone derivatives as release products. The enzyme preferred methylmalonyl-CoA against malonyl-CoA, if only methylmalonyl-CoA was available. These properties and a comparison with the CHS from Pinus sylvestris suggested for PstrCHS2 a special function in the biosynthesis of secondary products. In contrast to P. sylvestris, P. strobus contains C-methylated chalcone derivatives, and the methyl group is at the position predicted from a chain extension with methylmalonyl-CoA in the second condensation of the biosynthetic reaction sequence. We propose that PstrCHS2 specifically contributes the condensing reaction with methylmalonyl-CoA to yield a methylated triketide intermediate. We discuss a model that the biosynthesis of C-methylated chalcones represents the simplest example of a modular polyketide synthase.
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  • Schröder, J., 1999. The chalcone/stilbene synthase-type family of condensing enzymes. In: Sankawa, U. (Ed.), Polyketides and Other Secondary Metabolites Including Fatty Acids and Their Derivatives, Vol. 1. Elsevier,  Amsterdam, pp. 749-771.
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  • Schüz, R., Heller, W., Hahlbrock, K., 1983. Substrate specificity of chalcone synthase from Petroselinum hortense. Formation of phloroglucinol derivatives from aliphatic substrates. Journal of Biological Chemistry 258, 6730-6734.
        The substrate specificity of chalcone synthase, the key enzyme of flavonoid biosynthesis, was investigated. A purified enzyme preparation from cell suspension cultures of parsley (P. hortense) catalyzed chain elongations with acetate units from malonyl-CoA, using various aromatic and aliphatic CoA esters as starter molecules. Malonyl-CoA could not be replaced by malonyl acyl carrier protein in the standard chalcone synthase assay. Butyryl-CoA, hexanoyl-CoA and benzoyl-CoA served as substrates for the condensation reaction with similar efficiency as 4- coumaroyl-CoA, the natural substrate of the enzyme. Acetyl-CoA and octanoyl-CoA were relatively poor substrates. Among the products formed with the 2 most efficient aliphatic substrates tested, butyryl-CoA and hexanoyl-CoA, were the respective chalcone analogs, phlorobutyrophenone and phlorocaprophenone. Chalcone synthase and the corresponding enzyme of fatty acid synthesis in higher plants, beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase, may have a common evolutionary origin.
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  • Suh,  D.-Y.,  Kagami, J., Fukuma, K., Iwanami, N., Yamazaki, Y., Yurimoto, H., Sakai, Y., Kato, N., Shibuya, M., Ebizuka, Y., Sankawa, U., 2000. Chalcone and stilbene synthases expressed in eucaryotes exhibit reduced cross-reactivity in vitro. Chemical & Pharmaceutical Bulletin 48, 1051-1054.
       Chalcone synthase (CHS) and stilbene synthase (STS) catalyze different cyclization reactions of the common tetraketide to give different products, naringenin chalcone and resveratrol, respectively. We have previously observed in vitro cross-reaction of CHS and STS overexpressed in Escherichia coli, resveratrol production by CHS and chalcone production by STS. When expressed in eucaryotic cells, or in E. coli as thioredoxin-fusion proteins, CHS and STS exhibited reduced cross-reaction. STS refolded from inclusion bodies also showed reduced cross-reaction. While addition of bovine serum albumin and pH in the reaction were without noticeable effect, addition of glycerol decreased the cross-reaction of CHS likely due to its stabilizing effect on enzyme conformation. These results were interpreted to provide supporting evidence to our earlier proposition (Yamaguchi T. et al., FEBS Lett., 460, 457-461 (1999)) that the in vitro cross- reaction of CHS and STS is due to intrinsic capability of these enzymes to catalyze different types of cyclization, which, in turn, is endowed by conformational flexibility of their active sites.
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  • Yamaguchi, T.,  Kurosaki, F., Suh, D.-Y., Sankawa, U., Nishioka, M., Akiyama, T., Shibuya, M., Ebizuka, Y., 1999. Cross-reaction of chalcone synthase and stilbene synthase overexpressed in Escherichia coli. FEBS Letters 460, 457-461.
       Chalcone synthase (CHS) and stilbene synthase (STS) are related plant polyketide synthases belonging to the CHS superfamily. CHS and STS catalyze common condensation reactions of p-coumaroyl-CoA and three C-2-units from malonyl-CoA but different cyclization reactions to produce naringenin chalcone and resveratrol, respectively. Using purified Pueraria lobata CHS and Arachis hypogaea STS overexpressed in Escherichia coli, bisnoryangonin (BNY, the derailed lactone after two condensations) and p-coumaroyltriacetic acid lactone (the derailed lactone after three condensations) were detected from the reaction products. More importantly, we found a crossreaction between CHS and STS, i.e. resveratrol production by CHS (2.7-4.2% of naringenin) and naringenin production by STS (1.4-2.3% of resveratrol), possibly due to the conformational flexibility of their active sites.
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  • Yu, C. K. Y., Springob, K., Schmidt, J., Nicholson, R. L., Chu, I. K., Yip, W. K., Lo, C., 2005. A stilbene synthase gene (SbSTS1) is involved in host and non-host defense responses in Sorghum. Plant Physiology 138, 393-401.
       A chalcone synthase (CHS)-like gene, SbCHS8, with high expressed sequence tag abundance in a pathogen-induced cDNA library, was identified previously in sorghum (Sorghum bicolor). Genomic Southern analysis revealed that SbCHS8 represents a single-copy gene. SbCHS8 expression was induced in sorghum mesocotyls following inoculation with Cochliobolus heterotrophus and Colletotrichum sublineolum, corresponding to nonhost and host defense responses, respectively. However, the induction was delayed by approximately 24 h when compared to the expression of at least one of the other SbCHS genes. In addition, SbCHS8 expression was not induced by light and did not occur in a tissue-specific manner. SbCHS8, together with SbCHS2, was overexpressed in transgenic Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) tt4 (transparent testa) mutants defective in CHS activities. SbCHS2 rescued the ability of these mutants to accumulate flavonoids in seed coats and seedlings. In contrast, SbCHS8 failed to complement the mutation, suggesting that the encoded enzyme does not function as a CHS. To elucidate their biochemical functions, recombinant proteins were assayed with different phenylpropanoid-Coenzyme A esters. Flavanones and stilbenes were detected in the reaction products of SbCHS2 and SbCHS8, respectively. Taken together, our data demonstrated that SbCHS2 encodes a typical CHS that synthesizes naringenin chalcone, which is necessary for the formation of different flavonoid metabolites. On the other hand, SbCHS8, now retermed SbSTS1, encodes an enzyme with stilbene synthase activity, suggesting that sorghum accumulates stilbene-derived defense metabolites in addition to the well-characterized 3-deoxyanthocyanidin phytoalexins.
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  • Zheng, D., Hrazdina, G., 2008. Molecular and biochemical characterization of benzalacetone synthase and chalcone synthase genes and their proteins from raspberry (Rubus idaeus L). Archives of Biochemistry and Biophysics 470, 139-145.
       Two new members of the polyketide synthase (PKS) gene family (RiPKS4 and RiPKS5) were cloned from raspberry fruits (Rubus idaeus L., cv Royalty) and expressed in E. coli. Characterization of the recombinant enzyme products indicated that RiPKS4 is a bifunctional polyketide synthase producing both 4-hydroxybenzalacetone and naringenin chalcone. The recombinant RiPKS4 protein, like the native protein from raspberry fruits accepted p-coumaryl-CoA and ferulyl-CoA as starter substrates and catalyzed the formation of both naringenin chalcone, 4-hydroxy-benzalacetone and 3-methoxy-4-hydroxy-benzalacetone. Although activity of RiPKS4 was higher with ferulyl-CoA than with p-coumaryl-CoA, the corresponding product, 3-methoxy-4-hydroxy phenylbutanone could not be detected in raspberries to date. Sequence analysis of the genes and proteins suggested that this feature of RiPKS4 was created by variation in the C-terminus due to DNA recombination at the 3'region of its coding sequence. RiPKS5 is a typical chalcone synthase (CHS) that uses p-coumaryl-CoA only as starter substrate and produces naringenin chalcone exclusively as the reaction product.
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