Modulation of indole alkaloid composition in Vinca minor

Abouzeid, Sara Ahmed Abdalla

Changes in the content and the composition of natural compounds always results from the balance of their biosynthesis, allocation, and degradation. These three processes are influenced differentially by various developmental and environmental factors. In consequence, the overall impact of these influences on the spectrum and the content of the secondary metabolites might be very complex and multifarious. However, these considerations open novel doors for manifold and deliberate approaches to change the secondary metabolism, to improve and optimize the search for novel pharmacologically active compounds. With respect to environmental factors, various stress situations and the concomitant consideration of the developmental stage of the plant, seems to be most promising approaches. Since these conjunctures are governed by various signal transduction chains, the application of corresponding growth regulators or signal transducers should augment plant chemodiversity and thus promote phytochemical drug discovery. In this context, the most promising candidates are methyl jasmonate (MeJA), hydrogen peroxide (H2O2) and salicylic acid (SA). The scope of the current study was to investigate the impact of exogenous application of growth regulators as a novel approach to modify the composition of active components in medicinal plants. Accordingly, mature Vinca minor plants of defined physiological status were used as a model system to investigate the effect of elicitation by signal transducers. The vividly demonstrate that such approaches indeed lead to massive qualitative as well as quantitative variations in the content of bioactive compounds. MeJA and H2O2 induces the conversion of vincamine to 9-methoxyvincamine and of vincadifformine to minovincinine and further on to minovincine. Based on the concomitant application of enzyme inhibitors, it could be deduced that in V. minor these reactions are catalyzed by cytochrome P450 enzymes. The discovery of 9-methoxyvincamine as a novel natural product underlines that even extensively studied plants such as V. minor might still be an auspicious source for the generation of novel phytochemical drugs. These coherences highlight that the utilization of growth regulators or signal transducers, especially of MeJA, and the consideration of different developmental stages, could be a promising tool for altering and diversifying the composition of active substances even in well investigated medicinal plants.

Änderungen im Gehalt von Naturstoffen und deren Zusammensetzung resultieren stets aus entsprechenden Veränderungen der Biosynthese, der Verlagerung und dem Abbau dieser Substanzen. Dabei werden diese Prozesse in unterschiedlicher Weise sowohl von Umweltfaktoren als auch von der Entwicklung und dem Wachstum der Pflanze beeinflusst. Dies eröffnet viele Möglichkeiten, gezielt Änderungen des Sekundärstoffwechsels zu induzieren, um so die Suche nach neuen, pharmakologisch aktiven Naturstoffen zu verbessern. In Hinblick auf den Einfluss unterschiedlicher Umweltfaktoren sind besonders die stress-induzierten Veränderungen vielversprechend; allerdings muss in diesem Zusammenhang stets auch der Einfluss von Wachstum und Entwicklung mit berücksichtigt werden. Da diese Prozesse von unterschiedlichen Signaltransduktionsketten reguliert werden, ermöglicht es der Einsatz entsprechender Wachstumsregulatoren und Signal-Moleküle, den Sekundärstoffwechsel gezielt zu modifizieren. In diesem Kontext kommt Methyljasmonat (MeJA), Wasserstoffperoxid (H2O2) und Salicylsäure (SA) eine besondere Bedeutung zu. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss exogen applizierter Wachstumsregulatoren auf das Spektrum der Indolakaloide in Vinca minor zu untersuchen, und so die Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Alkaloid-Zusammensetzung zu erfassen. Neun Tage der Applikation der Wachstumsregulatoren wurden die Indolalkaloide analysiert. Die entsprechenden HRMS- und NMR-Analysen zeigten eindrucksvoll, dass sich das Spektrum der Indolalkaloide frappierend verändert. MeJA und H2O2 induzierten die Umwandlung von Vincamin in 9-Methoxyvincamin und von Vincadifformin zunächst zu Minovincinin und dann weiter zu Minovincin. Weitere Experimente, bei denen gleichzeitig auch Enzym-inhibitoren appliziert wurden, ergaben, dass die entsprechenden Oxidationen in V. minor von Cytochrom-P450-Enzymen katalysiert werden. Der Nachweis von 9-Methoxyvincamin zeigt anschaulich, dass der Einsatz von Wachstumsregulatoren dazu führen kann, dass selbst eine sehr gut untersuchte Medizinalpflanzen wie V. minor noch immer eine vielversprechende Quelle für neue, pharmakologisch aktive Naturstoffe sein kann. Damit belegen vorgestellten Ergebnisse, dass der Einsatz von Wachstumsregulatoren und Signal-Molekülen, vor allem von MeJA - unter angemessener Berücksichtigung der jeweiligen Entwicklungsstadien - eine aussichtsreiche neue Strategie für die Suche nach pharmakologisch aktiven Substanzen sein kann.

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Abouzeid, Sara: Modulation of indole alkaloid composition in Vinca minor. 2018.

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