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(Last
modification: 30. November 2009)
Siehe
unten: Links zu den besprochenen Proteinen
Typ III Polyketidsynthasen (PKS) in Bakterien
Für einige Zeit
dachte man, dass Typ III PKS [Chalconsynthasen (CHS) und verwandte Proteine] pflanzenspezifisch
sind, und dass sich die prinzipielle
Enzymfunktion nach der Evolution des Phenylpropan-Stoffwechsels
entwickelte. Wir wissen jetzt, dass dies falsch ist.
In den letzten Jahren wurde sehr klar: CHS ist nur das
bekannteste Mitglied einer Superfamilie von Proteinen, die in Pflanzen
wichtige Rollen in sehr verschiedenen Stoffwechselwegen innehaben. Wir wissen
jedoch relativ wenig darüber, wann sich diese funktionelle Variation im
Einzelfall entwickelte. CHSs sind allgegenwärtig in der Pflanzenwelt, aber
die anderen Enzym-Aktivitäten und ihre Produkte nicht, und deshalb (und aus anderen Gründen) scheint es
sehr wahrscheinlich, dass sich alle diese funktionellen Varianten aus CHS
entwickelten. Die für die Evolution der Stilbensynthase (STS) benutzten Argumente (Tropf
et al., 1994) können problemlos für die anderen pflanzlichen Mitglieder der
Proteinfamilie verwendet werden.
Dann bleibt immer noch die Frage: Woher kam die CHS? Haben
wir irgendwelche Hinweise auf ihren Ursprung? Deshalb sind die Befunde aus den
letzten Jahren so wichtig, dass es CHS-verwandte Proteine bereits in Bakterien
gibt. Daraus könnten wir potentiell viel darüber lernen, wie sich diese
Proteinfamilie entwickelt hat. Allerdings drängt sich aus einigen Publikationen
der letzten Jahre auf, dass möglicherweise nicht der CHS-Typ die Basis war,
sondern die Synthese von Pyronen, und möglicherweise sogar von Stilben-Typ
Molekülen?
Der Vergleich von Proteinsequenzen zeigt, dass alle Pflanzenproteine "weit weg" von den
bakteriellen Proteinen gruppieren, und quantifiziert heisst dies, dass die
Sequenz-Ähnlichkeiten nur in der Grössenordnung von 20 bis 25 % Identität auf
der Proteinebene sind. Es gibt anscheinend keinen "fliessenden Übergang";
jedenfalls lässt er sich so nicht erkennen.
Wichtiger ist deshalb, dass die durch die Kristall-Struktur identifizierten
funktionell bedeutsamen Schlüssel-Aminosäuren vorhanden sind, und zwar an den
Positionen, an denen man sie erwartet: Dies gilt z.B. für das Cystein im aktiven
Zentrum, und das Histidin und das Asparagin, die beide Schlüsselrollen für
die Enzymaktivität haben. Man muss daraus schliessen, dass die
prinzipiellen Mechanismen dieser Enzyme viel älter sind als bisher angenommen.
Weiter im Verständnis der (funktionellen)
Evolution werden wir vermutlich nur kommen, wenn wir die Funktion der Proteine
in Bakterien kennen. Die für die Pflanzen typischen Produkte solcher
Proteine (z.B. Chalcone, die CHS-Produkte, oder Stilbene, Acridone, usw.) oder ihre Derivate sind in
Bakterien nicht bekannt (schicken Sie mir bitte eine Nachricht, wenn Sie so
etwas finden)! Aber die funktionellen Variationen dieser Proteine und damit die
denkbaren Produkte sind bereits in Pflanzen ausserordentlich flexibel: Denkt man
an die Verwendung verschiedener Substrate, Variation in der Zahl der
Kondensations-Reaktionen, und Variationen im Typ der Ringfaltungen zu den
Endprodukten; ganz zu schweigen von Modifikationen von Intermediaten durch
andere Enzyme, wie z.B. in der Biosynthese der 6'-Deoxychalcone. Sind
Bakterien in dieser Beziehung noch variabler (erfindungsreicher?), und ist es
möglich, dass die Pflanzenproteine nur einen Teil der denkbaren funktionellen
Variationen benutzen? Es sieht ganz so aus, auch wenn nur wenige bakterielle
Funktionen im Detail analysiert wurden. Man könnte vermuten, dass sich die
pflanzliche CHS (möglicherweise als pflanzliche "Urform") aus nur einer
bestimmten Variante in Bakterien entwickelt hat, und dass alle pflanzlichen
Variationen sich von dieser einen "Ur-CHS" ableiten. Im Moment ist dies nur eine
Hypothese, und wir haben keine gute Vorstellung davon, wie ein solcher
bakterieller Vorläufer der pflanzlichen CHS wohl ausgesehen hat.
Die folgenden Seiten versuchen eine einfache
Zusammenfassung der Funktionen, die bei bakteriellen Typ III
Polyketidsynthasen identifiziert wurden.
Organisation der Seiten über Typ III PKS in Bakterien
-
Verwandtschaftsbaum
Sehen Sich einen
Verwandtschaftsbaum bakterieller Typ III PKS an, mit den funktionell
identifizierten Proteinen rot markiert (eine PDF-Datei,
zurück mit "browser-back-button").
Die Grundlage für den Baum ist aus einer
Publikation
aus der Gruppe von
Prof. R. Müller (Universität Saarland): Ich
bin dankbar, dass er mir die Datei zur Verfügung stellte.
-
1 Komplexe Ringfaltung
1,3,6,8-Tetrahydroxynaphthalen
(T4HN) Biosynthese
a)
Streptomyceten:
Streptomyces griseus,
Saccharopolyospora erythrea, Streptomyces coelicolor
b)
Myxobacteria:
Sorangium
cellulosum'
-
2 Stilbensynthase
(STS) Typ Ringfaltung
a) Streptomyceten:
Rückgrat einer aromatischen Aminosäure
Amycolatopsis balhymicina, Amycolatopsis orientalis
b) Streptomyces
griseus:
Alkylresorcinole (noch
nicht im Dendrogramm)
-
3 Chalconsynthase (CHS)
Typ Ringfaltung
Pseudomonas fluorescens
PhlD:
2,4-Diacetylphloroglucinol
-
4 STS-
und Pyron-Typ Ringfaltung
a) Azotobacter vinelandii:
Alkylresorcinole und
langkettige Pyrone
b)
Synechococcus sp. WH8102 (Cyanobacteria):
Alkylpyrone und
Tetraketid-Alkylresorcinol
-
5 Pyron-Typ
Typ Ringfaltung
a) Mycobacterium
tuberculosis: Langkettige Pyrone
b) Bacillus subtilis:
Langkettige Pyrone
c) Streptomyces coelicolor A3(2):
Germicidine
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Zitate
auf dieser Seite
-
Tropf,
S., Lanz, T., Rensing, S.A., Schröder, J. and
Schröder, G.:
Evidence that stilbene synthases have developed from chalcone synthases
several times in the course of evolution.
Journal of Molecular Evolution 38, 610-618 (1994).
Chalcone (CHS) and stilbene (STS) synthases are related
plant- specific polyketide synthases that are key enzymes in the
biosynthesis of flavonoids and of stilbene phytoalexins, respectively. A
phylogenetic tree constructed from 34 CHS and four STS sequences revealed
that the STS formed no separate cluster but grouped with CHS from the same
or related plants. This suggested that STS evolved from CHS several times
independently. We attempted to simulate this by site-directed mutagenesis of
an interfamily CHS/STS hybrid, which contained 107 amino acids of a CHS from
Sinapis alba (N-terminal) and 287 amino acids of a STS from
Arachis hypogaea. The hybrid had no enzyme activity. Three amino
acid exchanges in the CHS part (Gln-100 to Glu, Val-103 to Met, Val-105 to
Arg) were sufficient to obtain low STS activity, and one additional exchange
(Gly-23 to Thr) resulted in 20-25% of the parent STS activity. A kinetic
analysis indicated (1) that the hybrids had the same Km for the
substrate 4-coumaroyl-CoA but a lower Vmax than the parent STS,
and (2) that they had a different substrate preference than the parent STS
and CHS. Most of the other mutations and their combinations led to
enzymatically inactive protein aggregates, suggesting that the subunit
folding and/or the dimerization was disturbed. We propose that STS evolved
from CHS by a limited number of amino acid exchanges, and that the advantage
gained by this enzyme function favored the selection of plants with improved
STS activity.
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-
Gross, F., Luniak, N., Perlova, O., Gaitatzis, N., Jenke-Kodama, H., Gerth,
K., Gottschalk, D., Dittmann, E., Müller, R., 2006. Bacterial type III
polyketide synthases: phylogenetic analysis and potential for the production of
novel secondary metabolites by heterologous expression in pseudomonads. Archives
of Microbiology 185, 28-38.
Type III polyketide synthases
(PKS) were regarded as typical for plant secondary metabolism before they were
found in microorganisms recently. Due to microbial genome sequencing efforts,
more and more type III PKS are found, most of which of unknown function. In this
manuscript, we report a comprehensive analysis of the phylogeny of bacterial
type III PKS and report the expression of a type III PKS from the myxobacterium
Sorangium cellulosum in pseudomonads. There is no precedent of a secondary
metabolite that might be biosynthetically correlated to a type III PKS from any
myxobacterium. Additionally, an inactivation mutant of the S. cellulosum gene
shows no physiological difference compared to the wild-type strain which is why
these type III PKS are assumed to be "silent" under the laboratory conditions
administered. One type III PKS (SoceCHS1) was expressed in different Pseudomonas
sp. after the heterologous expression in Escherichia coli failed. Cultures of
recombinant Pseudomonas sp. harbouring SoceCHS1 turned red upon incubation and
the diffusible pigment formed was identified as
2,5,7-trihydroxy-1,4-naphthoquinone, the autooxidation product of
1,3,6,8-tetrahydroxynaphthalene. The successful heterologous production of a
secondary metabolite using a gene not expressed under administered laboratory
conditions provides evidence for the usefulness of our approach to activate such
secondary metabolite genes for the production of novel metabolites.
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File History:
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30.11.2009: Update on
links, corrections
-
26.07.2009: Update on
links to pages discussing the proteins
-
22.06.2009: Addition of
the Cyanobacterium protein: Synechococcus type
III PKS
-
11.03.2009: Reorganization of Files on Bacterial
Type III PKS
-
26.02.2009:
Update,
Streptomyces
griseus: Alkylresorcinole
.
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