Sanguinarine reductase - molecular and cellular characterization of a key enzyme in the detoxification of benzophenanthridine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hat zur Auffindung, Klonierung und Charakterisierung des bisher unbekannten Enzyms Sanguinarin-Reduktase geführt. Dieses Enzym spielt eine zentrale Rolle in der Entgiftung toxischer Alkaloide vom Typ der Benzophenanthridine, aber auch in der Kontrolle ihrer Biosynthese, an der es selbst nicht beteiligt ist. Benzophenanthridine werden meist in Pflanzen aus der Familie der Papaveraceae gebildet und sind wirksame Phytoalexine zur Abwehr von Mikroorganismen. Aufgrund ihrer Cytotoxizität (u.a. Interkalation in DNA, Hemmung von Membranenzymen mit aktiven SH- Gruppen) dienen sie als Leitverbindung in der Entwicklung antineoplastischer Arzneimittel. Ihre Anwendung in Futtermitteln kann zum dringend notwendigen Ersatz von Antibiotika in der Tierproduktion beitragen. Die meisten Ergebnisse wurden mit Zellkulturen des Kalifornischen Mohns (Eschscholzia californica) erhalten. 1. Nach Isolation des nativen Enzymproteins wurde das Gen mittels PCR aus einer cDNA-Bank und aus genomischer DNA isoliert, sequenziert und in Bakterien als rekombinantes Protein exprimiert (NCBI, Accession Nr 1300598). 2. Basierend auf Röntgenstruktur-Daten eines enzymatisch inaktiven Homologen wurde ein 3D-Modell der Proteinstruktur etabliert. Durch eine Serie von gezielten Mutationen wurde das Modell bestätigt und der katalytische Mechanismus der Sanguinarin-Reduktion am aktiven Zentrum aufgeklärt. 3. Ein screening in ca 200 Pflanzen nach dem Gen, dem Protein und der Aktivität der Sanguinarin-Reduktase ergab, dass das aktive Enzym ausschließlich in den Benzophenanthridin-produzierenden Spezies vorkommt. Fragmente des Gens, einschließlich der für das katalytische Zentrum kodierenden DNA, wurden in einer größeren Zahl von Pflanzen identifiziert, die offenbar einen inaktiven Vorläufer des Proteins bilden. Die Daten lassen den Schluss zu, dass die Evolution der Sanguinrin-Reduktase in den frühen Blütenpflanzen (Ranunculales) begann und unter dem Selektionsdruck der Toxizität der Benzophenanthridine erfolgte. 4. Mutanten mit verminderter Expression der Sanguinarin-Reduktase zeigen deutliche Veränderungen im Alkaloidspektrum. Die Sanguinrin-Reduktase kontrolliert die Biosyntheserate an mindestens zwei Punkten: ein frühes Enzym der Biosynthese wird durch das Produkt, Dihydrosanguinarin, gehemmt, und das zentrale Enzym der Signalkette, Phospholipase A2, durch die cytoplasmatische Konzentration der Substrate. 5. Überraschenderweise wurden auch in Bakterien und menschlichen Zellen Struktur-Homologe der Sanguinarin-Reduktase gefunden, obwohl diese nur geringe Ähnlichkeit in der Peptidsequenz aufweisen, z.B. die BiliverdinIX-Reduktase des Menschen. Auch Säugetier-Zellen sind zur Reduktion des Sanguinarins in der Lage. Dies widerspiegelt wahrscheinlich eine evolutionäre Anpassung an Benzophenanthridine in der Nahrung. Daraus ergeben sich Konsequenzen für potentielle therapeutische Anwendungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2006): Die Sanguinarin-Reduktase - ein neues Redoxenzym mit essentiellen Funktionen in Metabolismus und Kompartimentierung der Benzophenanthridine in Zellsuspensionen von Eschscholzia californica. Dissertation, Universität Halle, Math.-Nat.-Tech. Fakultät
Weiss, Dagmar
- (2006): Sanguinarine reductase, a key enzyme of benzophenanthridine detoxification. Plant Cell Environ. 29, 291–302
Weiss, D.; Baumert, A.; Vogel, M.; Roos, W.
- (2009) Handling dangerous molecules: transport and compartmentation of plant secondary products. Chapter 11 In: Plant Natural Products, A. Osbourn, C. Lanzetti, Eds., Springer, New York
Klein, M., Roos, W.
- (2010): Phytochemical and antimicrobial characterization of Macleaya cordata herb. Fitoterapia 81, 1006–1012
Kosina, P.; Gregorova, J.; Gruz, J.; Vacek, J.; Kolar, M.; Vogel, M.; Roos, W. et al.
- (2010): Sanguinarine reductase - structure and mechanism of a novel enzyme serving the protection from cytotoxic alkaloids. J Biol Chem. 285, 18397-18406
Vogel, M., Lawson, M., Conrad, U., Sippl, W., Roos, W.
- (2011): Struktur und Mechanismus der Sanguinarin-Reduktase, ein Entgiftungsenzym aus Eschscholzia californica. Dissertation, Universität Halle, Fakultät Biowissenschaften
Matthias Vogel
