Evolution der Pyrrolizidinalkaloidbiosynthese – Untersuchungen an Vertretern der Boraginaceae

Reimann, Andreas

Die Homospermidinsynthase (HSS) katalysiert die erste stoffwechselspezifische Reaktion innerhalb der Pyrrolizidinalkaloidbiosynthese. Während der Angiospermenevolution wurde die HSS aus der Desoxyhypusinsynthase (DHS), einem ubiquitären und hochkonservierten Enzym rekrutiert. Die DHS katalysiert den ersten Schritt der posttranslationalen Aktivierung des eukaryotischen Transkriptionsinitiationsfaktors 5A (eIF5A). Da die PAs innerhalb der Angiospermen ungleichmäßig verteilt nur in einigen Familien vorkommen, sollte die Frage beantwortet werden, ob die HSS aus der DHS während der Angiospermenevolution nur einmal oder mehrmals unabhängig entstanden ist. Identifizierte DHS- und HSS codierende cDNAs einiger Boraginaceae (Cynoglossum officinale, Heliotropium indicum und Symphytum officinale) und der Asteraceae (Petasites hybridus) wurden geklont und in E. coli heterolog expremiert um die Enzymaktivitäten zu bestätigen. Ein phylogenetischer Baum, der aus den entsprechenden HSS- und DHS- kodierenden cDNA-Sequenzen generiert wurde ergab einen monophyletischen Ursprung der HSS innerhalb der Boraginaceae und einen polyphyletischen Ursprung der HSS innerhalb der Angiospermen. Weiterhin konnte erstmalig durch radioaktive Tracerexperimente gezeigt werden, dass auch in den Blättern von Symphytum officinale die PA-Biosynthese möglich ist.

In pyrrolizidine alkaloid (PA) biosynthesis, homospermidine synthase (HSS) catalyzes the first pathway specific reaction. HSS was recruited during angiosperm evolution from deoxyhypusine synthase (DHS), an ubiquitous and highly conserved enzyme involved in the first step of the posttranslational modification of the eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A). Because PAs show a scattered occurrence within a few families of the angiosperms I try to answer the question whether the recruitment of HSS from DHS occurred only once or several times independently during angiosperm evolution. Identified cDNAs encoding DHS and HSS from PA-producing plants belonging to the family of the Boraginaceae (Cynoglossum officinale, Heliotropium indicum and Symphytum officinale) and Asteraceae (Petasites hybridus) were cloned and expressed heterologously in E. coli to confirm the enzyme activities. A phylogenetic tree generated with the sequences of the two enzymes indicates a monophyletic origin of HSS within the Boraginaceae and a polyphyletic origin of HSS within the angiosperms. Furthermore biochemical tracer experiments within the Boraginaceae Symphytum officinale showed for the first time that PA-biosynthesis could be possible in the leaves.

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Reimann, Andreas: Evolution der Pyrrolizidinalkaloidbiosynthese – Untersuchungen an Vertretern der Boraginaceae. 2008.

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