Ключевой фермент, участвующий в последнем этапе биосинтеза иридоидов у растений

от

Иридоиды — это широко распространённый и эволюционно древний класс вторичных метаболитов растений, относящихся к терпенам. Они встречаются у тысяч видов растений и играют важную роль в защите и других взаимодействиях между растениями и окружающей средой. Иридоиды также содержатся в таких продуктах питания, как оливки и черника, и обладают противовоспалительными свойствами. Они являются важными предшественниками многих важных с медицинской точки зрения соединений, включая противораковый препарат винбластин и алкалоиды ипекакуаны, содержащиеся в лекарственных растениях, таких как мирсиновое и корень ипекакуаны.

Путь биосинтеза иридоидов

Несмотря на их важность, путь биосинтеза до конца не был выяснен. Ключевой этап циклизации до непеталактола — базовой структуры всех иридоидов — всё ещё оставался неизвестным.

Сара О’Коннор, руководитель отдела биосинтеза натуральных продуктов в Институте химической экологии Общества Макса Планка в Йене, исследовала этот путь биосинтеза более 15 лет.

«Ферменты, которые могут образовывать скелет иридоидов, были известны давно. Эти иридоидсинтазы производят небольшое количество непеталактола и большое количество побочных продуктов одновременно. Поэтому мы давно подозревали, что ключевая реакция циклизации может происходить спонтанно, без помощи другого фермента», — объясняет Сара О’Коннор, рассказывая о начале исследования.

Однако более поздние эксперименты, в том числе с котовником, предоставили доказательства того, что циклизация катализируется ферментом. Тем не менее, у нас не было представления о том, как может выглядеть такой фермент.

Открытие ключевого фермента

Поскольку сузить поиск до конкретных классов ферментов не представлялось возможным, обычно пришлось бы тестировать сотни возможных кандидатов на активность. Однако благодаря сотрудничеству с Робин Бьюэлл из Университета Джорджии (США) появился новый набор данных, который сыграл решающую роль в сокращении числа кандидатов. Работа опубликована в журнале Nature Plants.

Лаборатория Робин Бьюэлл использовала современные методы, и этот набор данных включал экспрессию генов в отдельных клетках ипекакуаны, а не в разных тканях, как в ранее составленном наборе данных. Сравнение двух наборов данных показало, что только очень небольшое число неизвестных генов коррелирует с экспрессией известных генов биосинтеза иридоидов в обоих наборах данных.

Это небольшое число позволило провести быстрое тестирование на активность, которое было выполнено студенткой магистратуры Хлоэ Таймен. Для одного из этих неизвестных генов исследователи смогли продемонстрировать, что реакция циклизации катализируется, когда он экспрессируется в растениях или бактериях.

Это подтвердило, что этот ген кодирует давно искомый фермент-циклазу. Сравнение аминокислотной последовательности циклазы с последовательностями тысяч видов растений в общедоступных базах данных показало, что фермент встречается именно у тех видов растений, которые образуют иридоиды.

«Мы смогли показать, что реакция, которую мы исследовали, действительно катализируется ферментом и что ожидаемое вещество, непеталактол, образуется. Однако, к нашему удивлению, фермент, который мы обнаружили, принадлежит к совершенно неожиданному классу ферментов. Этот класс ферментов известен тем, что катализирует совершенно другую реакцию», — объясняет Майте Колинас, руководитель группы в отделе Сары О’Коннор и первый автор исследования.

Механический процесс циклизации до сих пор неясен. Существуют разные способы химической циклизации, и пока неизвестно, через какой из возможных механизмов химической реакции протекает обнаруженная циклизация.

Также неясно, как функция циклизации эволюционно развилась из совершенно другой ферментативной реакции. Эти вопросы являются предметом дальнейшего исследования.

Значение открытия

Открытие циклазы, важной для формирования иридоидов, ещё раз показывает, что ферменты могут катализировать совершенно неожиданные реакции, которые невозможно предсказать с помощью биоинформатических методов. Этот фермент открывает путь для будущего биотехнологического производства непеталактола и его производных, таких как противораковые препараты винбластин и винкристин, в дрожжах, грибах или других видах растений.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте