An alternate pathway to the glyoxylate cycle
Final Report Abstract
Ein grundlegend neuer Stoffwechselweg im Zentralstoffwechsel in einer Vielzahl von Bakterien wurde aufgeklärt. Dieser, von uns benannter Ethylmalonyl-CoA Weg, dient wie der Glyoxylatzyklus zur Assimilierung von Acetyl-CoA, unterscheidet sich jedoch von diesem ganz wesentlich. Im Glyoxylatzyklus werden mit Hilfe einer Isocitrat-Lyase, die Isocitrat in Succinat und Glyoxylat spaltet, die beiden Decarboxylierungsschritte im Citratzyklus umgangen. Malat Synthase, das zweite Schlüsselenzym des Glyoxylatzyklus, kondensiert das entstandene Glyoxylat mit einem weitern Acetyl-CoA-Molekül, wodurch insgesamt Malat aus zwei Acetyl-CoA-Molekülen gebildet wurde. Im Ethylmalonyl-CoA Weg werden drei Acetyl-CoA-Moleküle und zwei CO2- Equivalente zu Malat und Succinyl-CoA umgesetzt. Daran beteiligt sind völlig neue Zwischenprodukte im Zentralstoffwechsel (u. a. Ethylmalonyl-CoA) und die entsprechende Enzyme, die deren Umwandlung katalysieren. Besonders hervorzuheben ist die Crotonyl-CoA-Carboxylase/Reduktase, die eine bislang in der Literatur noch nicht beschrieben reduktive Carboxylierung eines Enoyl- CoA-Esters katalysiert. Das Produkt ist (2S)-Ethylmalonyl-CoA, das mit Hilfe einer bifunktionellen Methylmalonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA-Epimerase zu (2R)- Ethylmalonyl-CoA umgewandelt wird. Eine neuartige B12-abhängige Mutase katalysiert die Umlagerung von (2R)-Ethylmalonyl-CoA zu (2S)-Methylsuccinyl-CoA, das im Weiteren von einer Flavin-abhängigen Dehydrogenase zu Mesaconyl-(C1)- CoA oxidiert wird. Diese zentrale Reaktionsfolge des Ethylmalonyl-CoA-Wegs wurde mit rekombinanter und gereinigter Crotonyl-CoA-Carboxylase/Reduktase, Methylmalonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA-Epimerase, (2R)-Ethylmalonyl-CoA-Mutase und (2S)-Methylsuccinyl-CoA-Dehydrogenase nachgestellt. Der Ethylmalonyl-CoA Weg ist vor allem unter α-Proteobakterien, inklusive anoxygener aerober phototrophen Bakterien und Methylotrophe, sowie unter Actinomyceten vertreten. Letztere benützen Reaktionen dieses Stoffwechselwegs, um Vorstufen zur Antibiotikasynthese bereit zu stellen. Die Einbindung des Ethylmalonyl-CoA Wegs in den Gesamtstoffwechsel der Zelle ist das zentrale Ziel zukünftiger Forschung.
Publications
- 2006. Study of an alternate glyoxylate cycle for acetate assimilation by Rhodobacter sphaeroides. Mol. Microbiol. 61:297-309
Alber, B. E., R. Spanheimer, C. Ebenau-Jehle, and G. Fuchs
- 2007. Synthesis of C5-dicarboxylic acids from C2 units involving crotonyl-CoA carboxylase/ reductase: the ethylmalonyl-CoA pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104:10631- 10636
Erb, T. J., I. A. Berg, V. Brecht, M. Müller, G. Fuchs, and B. E. Alber
- 2008. Ethylmalonyl-CoA mutase from Rhodobacter sphaeroides defines a new subclass of coenzyme B12-dependent acyl-CoA mutases. J. Biol. Chem. 283:32283-32293
Erb, T. J., J. Rétey, G. Fuchs, and B. E. Alber
- 2008. Mesaconyl-coenzyme A hydratase, a new enzyme of two central carbon metabolic pathways in bacteria. J. Bacteriol. 190:1366-1374
Zarzycki, J., A. Schlichting, N. Strychalski, M. Müller, B. E. Alber, and G. Fuchs
- WO/2008/119738 (PCT/EP2008/053655) An enzyme for the production of methylmalonyl coenzyme A or ethylmalonyl coenzyme A and use thereof
Pötter, M., Marx A., Fuchs, G., Alber, B., Erb, T.J.
- 2009. (2S)-Methylsuccinyl-CoA dehydrogenase closes the ethylmalonyl-CoA pathway for acetyl-CoA assimilation. Mol. Microbiol. 73:992-1008
Erb, T. J, G. Fuchs, and B. E. Alber
- 2009. Carboxylation mechanism and stereochemistry of crotonyl-CoA carboxylase/reductase, a carboxylating enoyl-thioester reductase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106:8871- 8876
Erb, T. J., V. Brecht, G. Fuchs, M. Müller, and B. E. Alber
