stringtranslate.com

Халконсинтаза

Халконсинтаза или нарингенин-халконсинтаза ( CHS ) — это фермент, повсеместно встречающийся в высших растениях и принадлежащий к семейству ферментов поликетидсинтаз (PKS), известных как PKS типа III. PKS типа III связаны с производством халконов , класса органических соединений, встречающихся в основном в растениях в качестве естественных защитных механизмов и в качестве синтетических промежуточных продуктов. CHS был первым обнаруженным PKS типа III. [1] Это первый фермент, вовлеченный в биосинтез флавоноидов . [2] Фермент катализирует превращение 4-кумароил-КоА и малонил-КоА в нарингенин-халкон .

Функция

Катализ CHS служит начальным этапом биосинтеза флавоноидов. Флавоноиды являются важными вторичными метаболитами растений , которые выполняют различные функции в высших растениях. К ним относятся пигментация, защита от УФ-излучения, фертильность, противогрибковая защита и привлечение азотфиксирующих бактерий. [3] Считается, что CHS действует как центральный узел для ферментов, участвующих в пути флавоноидов. [4] Исследования показали, что эти ферменты взаимодействуют посредством белок-белковых взаимодействий . [5] С помощью FLIM FRET было показано, что CHS взаимодействует с халкон-изомеразой (CHI), ферментом последовательного шага, а также с другими ферментами непоследовательного шага: флаванон-3-гидроксилазой (F3H), дигидрофлавонол-4-редуктазой (DFR) и флавонолсинтазой I. [4]

Нарингенин-халконсинтаза использует малонил-КоА и 4-кумароил-КоА для производства КоА , нарингенин-халкона и CO2 .

Реакция

Стехиометрия реакции, халконсинтаза

4-кумароил-КоА и три единицы малонил-КоА превращаются в три молекулы углекислого газа , четыре молекулы кофермента А и одну единицу халкона нарингенина .

Структура

Субъединицы

CHS существует как гомодимерный белок с размером каждого мономера приблизительно 42-45 кДа. [6] Каждый мономер обладает активностью β-кетосинтазы (KS), которая катализирует последовательное включение двухуглеродных ацетатных единиц в растущую поликетидную цепь от головы к хвосту. CHS содержит пятислойное ядро ​​αβαβα, расположение активного центра и интерфейс димеризации , который очень похож на ферменты, содержащие тиолазную фолд. Интерфейс димеризации содержит как гидрофобные, так и гидрофильные остатки и, как правило, плоский, за исключением пары N-концевых спиралей, которые лежат переплетенными по всей вершине. Хотя спирали не участвуют в реакции, они могут содержать сигналы внутриклеточной локализации, как в дрожжевой тиолазе. Они также могут претерпевать конформационные изменения, чтобы участвовать в образовании временных мультибелковых комплексов с другими ферментами в различных путях, отклоняющихся от общего пути биосинтеза фенилпропаноидов .

Локализация

Фермент локализуется в цитозоле , связываясь с мембраной эндоплазматического ретикулума . [7] В другом исследовании было показано, что CHS и CHI также локализуются в ядре. [8]

Активный сайт

Существуют две отдельные двудольчатые полости активного центра, расположенные на нижнем крае ядра αβαβα каждого мономера. Идентичные петли из шести остатков, которые встречаются на интерфейсе димера , отделяют два активных центра друг от друга. Петли находятся с Thr132 в активном центре и заканчиваются цис-пептидной связью с Pro138. Остаток Met137 закрывает отверстие в активном центре другого мономера. Таким образом, активный центр скрыт, за исключением туннеля связывания CoA длиной 16 Å, который соединяет каталитическую поверхность с внешней окружающей средой . Ширина туннеля слишком узка для ароматических субстратов и продуктов, которые должны через него проходить, что подразумевает, что должна быть некоторая динамическая подвижность внутри и вокруг туннеля при помещении в раствор.

Активный сайт содержит консервативную каталитическую триаду Cys164, His303 и Asn336. Эти остатки помогают в множественных реакциях декарбоксилирования и конденсации, причем Cys164 действует как нуклеофил активного сайта . Phe215 и Phe265 — две другие важные аминокислоты , которые действуют как «привратники», блокируя нижний белок отверстия между туннелем связывания CoA и полостью активного сайта. Это ограничивает доступ воды к активному сайту, одновременно размещая субстраты и промежуточные продукты различных форм и размеров. Phe215 также ориентирует субстраты в активном сайте во время удлинения поликетидного промежуточного продукта.

Механизм

Первый шаг включает перенос кумароильного фрагмента из стартовой молекулы 4-кумароил-КоА на Cys164. [9] Затем происходит серия реакций конденсации трех ацетатных единиц из малонил-КоА, каждая из которых протекает через карбанион ацетил-КоА , полученный в результате декарбоксилирования малонил-КоА . Это расширяет поликетидный промежуточный продукт. После образования тетракетида, связанного с тиоэфиром, происходит региоспецифическая конденсация Кляйзена C1,C6 , образующая новую кольцевую систему для получения халкона нарингенина.

Регулирование

Метаболический

CHS неконкурентно ингибируется продуктами флаваноидного пути, такими как нарингенин и халкон нарингенин. [10] Несмотря на отсутствие прямых доказательств in vivo , считается, что флавоноиды накапливаются в цитозоле до уровня, который блокирует активность CHS, чтобы избежать токсичных уровней в растениях. [11]

Транскрипционный

CHS конститутивно экспрессируется в растениях, но также может подвергаться индуцированной экспрессии через свет/УФ-свет, а также в ответ на патогены, элиситоры и ранение. Промотор CHS содержит мотив G-box с последовательностью CACGTG. Было показано, что он играет роль в ответе на свет. [12] Другие светочувствительные домены включают Box I, Box II, Box III, Box IV или три копии H-box (CCTACC). [9]

Ген халконсинтазы растений петунии известен тем, что был первым геном, в котором наблюдалось явление РНК-интерференции ; исследователи, намеревавшиеся повысить регуляцию выработки пигментов в светло-розовых или фиолетовых цветах, ввели трансген для халконсинтазы, ожидая, что как нативный ген, так и трансген будут экспрессировать фермент и приведут к более глубоко окрашенному фенотипу цветка . Вместо этого трансгенные растения имели пятнистые белые цветы, что указывает на то, что введение трансгена снизило или заглушило экспрессию халконсинтазы. [13] Дальнейшее исследование этого явления показало, что снижение регуляции было вызвано посттранскрипционным ингибированием экспрессии гена халконсинтазы посредством повышенной скорости деградации информационной РНК . [14]

Актуальность заболевания

CHS, как первый обязательный шаг в флавоноидном пути, способствует производству флаваноидов, фитоалексинов изофлавоноидного типа и других метаболитов для защиты растений от стресса. Экспрессия CHS также участвует в пути защиты салициловой кислоты. Будучи ароматическими соединениями, флавоноиды сильно поглощают УФ-свет через фоторецептор-опосредованный механизм, который эффективно защищает растения от повреждения ДНК . CHS участвует в более широком, более общем фенилпропаноидном пути, которые служат предшественниками ряда растительных метаболитов, важных для здоровья человека, таких как антиоксиданты, противовоспалительные агенты, антиаллергены и даже антионкогенные продукты. [15]

Эволюция

CHS принадлежит к более широкому классу ферментов, известных как PKS типа III. Будучи первым ферментом своего типа, который был обнаружен, все остальные члены часто обозначаются как «CHS-подобные». Большинство или все дивергентные CHS-подобные ферменты, охарактеризованные как возникли в результате обширной дупликации и последующей генетической изменчивости гена chs . Дупликация обеспечивает активность CHS функциональной избыточностью, позволяя гену chs мутировать, не подвергая опасности биосинтез флавоноидов. Эти дивергентные ферменты отличаются от CHS своим предпочтением к стартовым молекулам, количеством ацетильных присоединений (часто через малонил-КоА) и даже механизмом образования кольца, используемым для циклизации идентичных поликетидных промежуточных продуктов.

Ферментативная функция CHS и CHS-подобных ферментов очень похожа на биосинтез жирных кислот, но без участия ацилпереносящих белков (ACP). [16] Структурные данные свидетельствуют о том, что эти ферменты возникли в результате приобретения функции от кетоацилсинтазы (KAS) III, фермента ранней стадии биосинтеза жирных кислот типа II .

Хотя халконсинтазы высших растений были широко изучены, мало информации доступно о ферментах из бриофитов (примитивных растений). Клонирование CHS из мха Physcomitrella patens выявило важный переход от халконсинтаз, присутствующих в микроорганизмах, к тем, которые присутствуют в высших растениях. [17]

Ссылки

  1. ^ Kreuzaler F, Hahlbrock K (ноябрь 1972 г.). «Ферментативный синтез ароматических соединений в высших растениях: образование нарингенина (5,7,4'-тригидроксифлаванона) из p-кумароил кофермента A и малонил кофермента A». FEBS Lett . 28 (1): 69–72. Bibcode : 1972FEBSL..28...69K. doi : 10.1016/0014-5793(72)80679-3 . PMID  4646877. S2CID  10788459.
  2. ^ Tohge T, Yonekura-Sakakibara K, Niida R, Wantanabe-Takahasi A, Saito K (2007). "Фитохимическая геномика в Arabidopsis thaliana: исследование случая функциональной идентификации генов биосинтеза флавоноидов". Pure and Applied Chemistry . 79 (4): 811–23. doi : 10.1351/pac200779040811 . S2CID  86125133.
  3. ^ Cain CC, Saslowsky DE, Walker RA, Shirley BW (октябрь 1997 г.). «Экспрессия белков халконсинтазы и халконизомеразы в сеянцах Arabidopsis». Plant Mol. Biol . 35 (3): 377–81. doi :10.1023/A:1005846620791. PMID  9349261. S2CID  23539179.
  4. ^ ab Crosby KC, Pietraszewska-Bogiel A, Gadella TW, Winkel BS (июль 2011 г.). «Передача энергии резонанса Фёрстера демонстрирует метаболон флавоноида в живых растительных клетках, который демонстрирует конкурентные взаимодействия между ферментами». FEBS Lett . 585 (14): 2193–8. Bibcode : 2011FEBSL.585.2193C. doi : 10.1016/j.febslet.2011.05.066 . PMID  21669202. S2CID  31590596.
  5. ^ Hrazdina G, Wagner GJ (февраль 1985). «Метаболические пути как ферментные комплексы: доказательства синтеза фенилпропаноидов и флавоноидов на мембранных ферментных комплексах». Arch. Biochem. Biophys . 237 (1): 88–100. doi :10.1016/0003-9861(85)90257-7. PMID  3970546.
  6. ^ Austin MB, Noel JP (февраль 2003 г.). «Суперсемейство халконсинтаз поликетидсинтаз типа III». Nat Prod Rep . 20 (1): 79–110. CiteSeerX 10.1.1.131.8158 . doi :10.1039/b100917f. PMID  12636085. 
  7. ^ Hzardina G, Jensen RA (1992). «Пространственная организация ферментов в метаболических путях растений». Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol . 43 : 241–67. doi :10.1146/annurev.pp.43.060192.001325.
  8. ^ Saslowsky D, Winkel-Shirley B (2001). «Локализация флавоноидных ферментов в корнях Arabidopsis». The Plant Journal . 27 (1): 37–48. doi : 10.1046/j.1365-313x.2001.01073.x . PMID  11489181.
  9. ^ ab Dao TT, Linthorst HJ, Verpoorte R (сентябрь 2011 г.). «Халконсинтаза и ее функции в устойчивости растений». Phytochem Rev. 10 ( 3): 397–412. Bibcode :2011PChRv..10..397D. doi :10.1007/s11101-011-9211-7. PMC 3148432 . PMID  21909286. 
  10. ^ Хиндерер В., Зейтц Х. У. (1985). «Халконсинтаза из суспензионных культур клеток Daucus carota L». Arch Biochem Biophys . 240 (1): 265–72. doi :10.1016/0003-9861(85)90032-3. PMID  4015104.
  11. ^ Уайтхед Дж. М., Диксон РА (1983). «Халконсинтаза из суспензионных культур клеток Phaseolus vulgaris L». Biochim Biophys Acta . 747 (3): 298–303. doi :10.1016/0167-4838(83)90109-7.
  12. ^ Schulze LP, Becker AM, Schulr W, Hahlbrock K, Dangl JL (1989). "Функциональная архитектура светочувствительного промотора халконсинтазы из петрушки". Plant Cell . 1 (7): 707–14. doi :10.1105/tpc.1.7.707. PMC 159807 . PMID  2535519. 
  13. ^ Napoli C, Lemieux C, Jorgensen R (1990). «Внедрение химерного гена синтазы халкона в петунию приводит к обратимой ко-супрессии гомологичных генов в транс». Plant Cell . 2 (4): 279–289. doi :10.1105/tpc.2.4.279. PMC 159885 . PMID  12354959. 
  14. ^ Van Blokland R, Van der Geest N, Mol JNM, Kooter JM (1994). «Трансген-опосредованное подавление экспрессии халконсинтазы в Petunia hybrida является результатом увеличения оборота РНК». Plant J . 6 (6): 861–77. doi : 10.1046/j.1365-313X.1994.6060861.x .
  15. ^ Choi O, Wu CZ, Kang SY, Ahn JS, Uhm TB, Hong YS (2011). «Биосинтез фенилпропаноидов, специфичных для растений, путем построения искусственного биосинтетического пути в Escherichia coli». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 38 (10): 1657–65. doi : 10.1007/s10295-011-0954-3 . PMID  21424580. S2CID  13634452.
  16. ^ Абэ И, Морита Х (июнь 2010 г.). «Структура и функция суперсемейства халконсинтаз поликетидсинтаз типа III растений». Natural Product Reports . 27 (6): 809–38. doi :10.1039/b909988n. PMID  20358127.
  17. ^ Jiang C, Schommer C, Kim SY, Suh DY (2006). «Клонирование и характеристика халконсинтазы из мха Physcomitrella patens». Фитохимия . 67 (23): 2531–2540. Bibcode : 2006PChem..67.2531J. doi : 10.1016/j.phytochem.2006.09.030. PMID  17083952.

Литература

Внешние ссылки